JP2803831B2

JP2803831B2 - 走査電子顕微鏡

Info

Publication number: JP2803831B2
Application number: JP1054536A
Authority: JP
Inventors: 健治高本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-03-07
Filing date: 1989-03-07
Publication date: 1998-09-24
Anticipated expiration: 2013-09-24
Also published as: JPH02234336A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、走査電子顕微鏡に関し、特に、半導体集積
回路装置の製造工程における外観検査などに用いられる
走査電子顕微鏡に適用して効果のある技術に関する。

〔従来の技術〕

たとえば、半導体集積回路装置の製造においては、集
積回路パターンの一層の微細化などに伴って、従来の光
学顕微鏡に代えて、より高分解能で精細な観察が可能な
走査電子顕微鏡が製造プロセスの評価などに用いられる
に至っている。

すなわち、株式会社プレスジャーナル、昭和60年７月
20日発行「セミコンダクタ・ワールド」1985年８月号、
P102〜P114、などの文献に記載されているように、電子
線によって試料の表面を走査し、この時、試料の表面か
ら発生する二次電子や反射電子の強度と、電子線の走査
位置とに基づいて、電子線の走査に同期した陰極線管な
どの画面に高倍率の拡大画像を表示させ、試料に形成さ
れている集積回路パターンの寸法測定や欠陥の有無など
の外観検査などを行うものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、半導体集積回路装置の製造プロセスでは、
観察すべき試料の材質や形態などが多様であるため、各
種の試料に応じて高分解能で精密な観察を行うために
は、走査する電子線の加速電圧、プローブ電流などの諸
条件を試料の特質に応じて最適に設定する必要がある。

ところが、これらの条件を変化させた場合には、電子
線を制御する電子光学系に軸ずれが生じるため、そのま
までは高分解能による精細な観察は望めない。

このため、たとえば、電子光学系の軸ずれを補正する
ために軸ずれ補正コイルに流す電流の絶対値を、電子線
の異なる加速電圧毎に手動調整によって記憶させてお
き、観察条件が変化する毎に、対応する軸ずれの補正電
流値を選択して設定することが考えられるが、観察中に
おける電子光学系の軸の経時的な変化に際しては作業者
が手動調整せざるを得ず、作業者の熟練度などによって
軸ずれの補正精度、すなわち分解能が左右されることと
なり、その装置の持つ分解能などの性能を充分に発揮さ
せることが難しいという問題がある。

そこで、本発明の目的は、作業者の熟練度などに影響
されることなく、常に最大限の性能を発揮することが可
能な走査電子顕微鏡を提供することにある。

本発明の他の目的は、電子光学系の軸ずれを自動的に
補正して操作性を向上させることが可能な走査電子顕微
鏡を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、
本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろ
う。

〔課題を解決するための手段〕

本願において開示される発明のうち、代表的なものの
概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。

すなわち、本発明になる走査電子顕微鏡は、対象物に
向けて電子線を放射する電子線源と、電子線の経路に設
けられ、少なくとも電子線の対象物に対する焦点位置お
よび走査を制御する電子光学系と、この電子光学系の一
部をなし、当該電子光学系の軸ずれを補正する軸ずれ補
正手段と、電子線の照射によって対象物から発生する二
次電子および反射電子の少なくとも一方の量を検出する
検出器と、この二次電子および反射電子の少なくとも一
方の検出量と電子線の走査位置とに基づいて対象物の観
察画像を構成する表示手段と、焦点位置を変化させるこ
とにより電子光学系の軸ずれ量に応じて生じる観察画像
の移動量を求める第１の手段と、移動量と当該移動量に
対応する軸ずれ量を補正するために軸ずれ補正手段へ与
えられる補正情報を記憶する第２の手段と、第２の手段
から現在の軸ずれ量に対応する補正情報を読み出して軸
ずれ補正手段に与えることにより、電子光学系の軸ずれ
を補正する動作を行う第３の手段とを備えたものであ
る。

〔作用〕

上記した本発明の走査電子顕微鏡によれば、たとえ
ば、第３の手段によって発せられる警報により、電子光
学系の軸ずれが、当該走査電子顕微鏡の性能を最大限に
引き出し得る所定の許容範囲から逸脱したことを作業者
に客観的に認識させることができるので、電子光学系の
軸ずれの認識や、補正操作が作業者の熟練度などに左右
されることがなくなり、走査電子顕微鏡の性能を最大限
に発揮させることが可能となる。

また、電子光学系の軸ずれの補正操作が自動的に行わ
れるので、経時的な電子光学系の軸ずれや、多様な対象
物を観察すべく、電子線の加速電圧などの諸条件を比較
的頻繁に切り換える場合でも、作業者が手動操作などに
よって煩雑な軸ずれの補正作業を行う必要がなく、操作
性が向上する。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例である走査電子顕微鏡を、図
面を参照しながら詳細に説明する。

第１図は、本発明の一実施例である走査電子顕微鏡の
構成の一例を示すブロック図であり、第２図は、その作
用の一例を説明する説明図である。

たとえば、水平面内における移動および水平面からの
傾向などが自在な試料台10の上には、半導体基板などか
らなる対象物20が載置されており、この試料台10の上方
には、当該試料台10に載置された対象物20に向けて電子
線30を放射する電子線源40が配置されている。

この電子線源40から対象物20に到る電子線30の通過経
過を取り囲む位置には、対象物20に到達する電子線30の
スポットサイズや電流値などを制御する収束レンズ51
と、当該電子光学系50における軸ずれを補正する軸ずれ
補正コイル52と、観察画像の明るさ，コントラスト，焦
点深度などを調整する対物絞り52と、対象物20に対する
電子線30の入射位置すなわち走査を制御する偏向コイル
54と、電子線30の対象物20に対する焦点位置を制御する
対物レンズ55とからなる電子光学系50が設けられてい
る。

この電子光学系50の軸ずれ補正コイル52および偏向コ
イル54、対物レンズ55は、それぞれ、補正電流制御部52
aおよび走査電源部54a,レンズ電流制御部55aを介して、
たとえばマイクロプロセッサなどからなる信号制御部70
（第３の手段）に接続されており、当該信号制御部70に
よって各々の動作が統轄して制御されている。

また、対象物20が載置された試料台10の近傍には、対
象物20における電子線30の照射部位から発生する二次電
子または反射電子30aの強度を検出して電気的な信号の
大小に変化する検出器60が配置されており、この検出器
60は前記信号制御部70に接続されている。

さらに、信号制御部70には、複数の画像メモリ91およ
び画像メモリ92と、陰極線管などからなる表示部80が接
続されている。

そして、信号制御部70は、偏向コイル54による電子線
30の対象物20に対する走査位置と、当該走査位置から検
出器60を介して検出される二次電子または反射電子30a
の強度を輝度変調して得られる信号とから、画像メモリ
91および92に、対象物20の、電子線30の正焦点および過
焦点または不足焦点における拡大画像を個別に構成する
とともに、この画像メモリ91および92から画像情報を読
み出して、表示部80に表示させる動作を行うものであ
る。

この場合、信号制御部70には、画像メモリ91および92
に格納されている画像情報から、たとえばパターンマッ
チング技術などによって、電子線30を正焦点から過焦点
または不足焦点に変化させる際に、表示部80に出力され
る同一の観察画像の、電子光学系50の軸ずれなどに起因
して生じる位置ずれ量を検出するパターンマッチング処
置部90が接続されている。

さらに、信号制御部70には、軸ずれ補正値記憶部100
か接続されている。この軸ずれ補正値記憶部100には、
焦点位置を変化させる際に表示部80に出力される観察画
像の電子光学系50の軸ずれなどに起因する位置ずれ量
と、この位置ずれ、すなわち軸ずれの補正に必要な、軸
ずれ補正コイル52に対する指令電流の現在値からの増減
量を示す相対指令電流値とが、あらかじめ各加速電圧毎
などに対応づけて、格納されている。

そして、信号制御部70は、前述のパターンマッチング
処理部90において検出された観察画像の位置ずれ量、す
なわち電子光学系50の軸ずれ量が、所定の許容値を逸脱
している場合には、たとえば、表示部80にその旨を報告
する文字や画像情報を表示して、操作者に認識させる動
作を行うものである。

さらに本実施例の場合には、信号制御部70は、当該位
置ずれ量に応じた軸ずれ補正コイル52への相対指令電流
値を軸ずれ補正値記憶部100から読み出して補正電流制
御部52aに与える動作を、位置ずれ量が所定の値以下に
なるまで繰り返すことにより、電子光学系50の軸ずれの
補正操作を自動的に行うようにプログラムされている。

なお、特に図示しないが、前記試料台10や電子線源4
0,電子光学系50などは、所定の真空室内に収容されてお
り、電子線30の経路は高い真空度に保たれる構造となっ
ている。

以下、本実施例の走査電子顕微鏡の動作の一例を説明
する。

まず、軸ずれ補正値記憶部100への前述のような補正
データの格納操作の一例を説明する。

すなわち、標準パターンや通常の試料である対象物20
の所定の画像の観察において、電子線30の加速電圧やビ
ーム電流などを所望の値に一定にした条件下で、意図的
に電子線30の対象物20に対する焦点位置を、正焦点か
ら、過焦点または不足焦点に変化させる。そして、この
時に電子光学系50の軸ずれに起因して生じる観察画像の
移動が解消されるように、軸ずれ補正コイル52に対し
て、現在の指令電流値から適宜増減させる操作を、電子
光学系50の光軸に直交する平面内において互いに直交す
る２方向（X,Y方向）について独立に行い、指令電流値
の現在値からの増減量を、相対指令電流値として対応す
る観察画像の移動量とともに軸ずれ補正値記憶部100に
記憶させる。

この操作を、電子線30の異なる加速電圧やビーム電流
値毎に行っておく。

なお、上記の相対指令電流値の登録操作では、周知の
補間法などを用いても良いことは言うまでもない。

次に、実際の画像観察における動作は次のようにな
る。

まず、操作者の指令などにより、稼働中の所望のタイ
ミングで、信号制御部70は、電子線30の対象物20に対す
る正焦点位置での観察画像を画像メモリ91に格納する。
さらに、レンズ電流制御部55aを介して、対物レンズ55
に対する通電量を増減させて、電子線30の焦点位置を現
在の正焦点から過焦点または不足焦点に意図的に変化さ
せ、その時の対象物20の同一部位の観察画像を他方の画
像メモリ92に格納する。

この時の画像メモリ91および92の画像情報を表示部80
に出力した場合の観察画像80aおよび観察画像80bの一例
を示すものが第２図である。

同図に示されるように、電子光学系50に軸ずれを生じ
ている場合には、対象物20の同一の部位における、正焦
点での観察画像80aと、過焦点または不足焦点での観察
画像80bとは、位置ずれを生じる。そして、パターンマ
ッチング処理部90は、必要に応じて輪郭強調処理などを
施すことにより、正焦点での観察画像80aおよび過焦点
または不足焦点での観察画像80bの同一の点Ａの座標（x
₁,y₁）および（x₂,y₂）から、軸ずれに起因する観察画
像80aおよび80bの移動量ΔＸおよび移動量ΔＹを求め
る。

そして、この移動量ΔＸおよびΔＹが、すなわち電子
光学系50の軸ずれ量が、予め、当該走査電子顕微鏡の性
能などに基づいて設定されている所定の許容値を逸脱し
ている場合には、信号制御部70は表示部80に対して、電
子光学系50が軸ずれ不良状態にあることを文字や画像情
報などで出力し、当該走査電子顕微鏡の性能が充分に発
揮できる状態ではないことを操作者に確実に認識させ
る。

さらに、信号制御部70は、前述のようにして検出され
た観察画像80aおよび80bの移動量ΔＸおよびΔＹに基づ
いて、軸ずれ補正値記憶部100から、当該移動量ΔＸお
よびΔＹに対応する電子光学系50の軸ずれを補正するの
に必要な、軸ずれ補正コイル52に対する相対指令電流値
を読み出して補正電流制御部52aに与え、この操作を当
該移動量ΔＸおよびΔＹが所定の値以下になるまでフィ
ードバック制御によって繰り返し、現在の電子光学系50
における軸ずれを自動的に補正する。

このように、本実施例の場合には、電子光学系50にお
ける軸ずれが、当該走査電子顕微鏡の性能を充分に発揮
させることが可能な所定の許容範囲から逸脱している場
合には、表示部80などを介して警報を発するので、操作
者は走査電子顕微鏡の不良状態を客観的に認識すること
が可能となる。このため、個々の操作者の熟練度などに
影響されることなく、電子光学系500の有害な軸ずれを
所定の許容範囲内に確実に管理することが可能となり、
走査電子顕微鏡の分解能などの性能を最良の状態に維持
することができる。

さらに、焦点位置を変化させた時の電子光学系50の軸
ずれに対応した観察画像の移動量に基づいて、あらかじ
め軸ずれ補正値記憶部100に格納されている当該軸ずれ
を補正するための相対指令電流値を読み出し、これを軸
ずれ補正コイル52に与えることにより、走査電子顕微鏡
の稼働中の経時的な電子光学系50の軸ずれや、対象物20
の種類の変化などに応じて加速電圧およびビーム電流な
どを変化させた場合の電子光学系50の軸ずれの補正が自
動的に行われるので、操作者がこれらの煩雑な調整操作
から解放され、走査電子顕微鏡の操作性が確実に向上す
る。

この結果、たとえば、実際の半導体集積回路装置の製
造工程の一部に容易に走査電子顕微鏡を組み込んで使用
することが可能となり、半導体集積回路装置の製造にお
ける生産性が確実に向上する。

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき
具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定される
ものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可
能であることはいうまでもない。

たとえば、電子光学系の軸ずれを反映する観察画像の
移動量の検出に際しては、正焦点と、過焦点または不足
焦点の場合を比較することに限らず、過焦点および不足
焦点の場合には、観察画像の移動方向が全く逆になるこ
とを利用して、焦点を過焦点と不足焦点との間で変化さ
せた際の観察画像の移動量を検出するようにしてもよい
ものである。

また、走査電子顕微鏡の構成は、前記実施例に例示し
たものに限定されない。

〔発明の効果〕

本願において開示される発明のうち、代表的なものに
よって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおり
である。

すなわち、本発明になる走査電子顕微鏡によれば、対
象物に向けて電子線を放射する電子線源と、前記電子線
の経路に設けられ、少なくとも前記電子線の前記対象物
に対する焦点位置および走査を制御する電子光学系と、
この電子光学系の一部をなし、当該電子光学系の軸ずれ
を補正する軸ずれ補正手段と、前記電子線の照射によっ
て前記対象物から発生する二次電子および反射電子の少
なくとも一方の量を検出する検出器と、この二次電子お
よび反射電子の少なくとも一方の検出量と前記電子線の
走査位置とに基づいて前記対象物の観察画像を構成する
表示手段と、焦点位置を変化させることにより前記電子
光学系の軸ずれ量に応じて生じる前記観察画像の移動量
を求める第１の手段と、前記移動量と当該移動量に対応
する前記軸ずれ量を補正するために前記軸ずれ補正手段
へ与えられる補正情報を記憶する第２の手段と、前記第
２の手段から現在の前記軸ずれ量に対応する前記補正情
報を読み出して前記軸ずれ補正手段に与えることによ
り、前記電子光学系の軸ずれを補正する動作を行う第３
の手段とを備えているので、たとえば、第３の手段によ
って発せられる警報により、電子光学系の軸ずれが、当
該走査電子顕微鏡の性能を最大限に引き出し得る所定の
許容範囲から逸脱したことを作業者に客観的に認識させ
ることが可能となる。これにより、電子光学系の軸ずれ
の認識や、補正操作が作業者の熟練度などに左右される
ことがなくなり、操作電子顕微鏡の性能を最大限に発揮
させることが可能となる。

また、電子光学系の軸ずれの補正操作が自動的に行わ
れるので、経時的な電子光学系の軸ずれや、多様な対象
物を観察すべく、電子線の加速電圧など諸条件を比較的
頻繁に切り換える場合でも、作業者が手動操作などによ
って煩雑な軸ずれの補正作業を行う必要がなく、操作性
が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例である走査電子顕微鏡の構
成の一例を示すブロック図、第２図は、その作用の一例を説明する説明図である。 10……試料台、20……対象物、30……電子線、30a……
二次電子または反射電子、40……電子線源、50……電子
光学系、51……収束レンズ、52……軸ずれ補正コイル、
52a……補正電流制御部、53……対物絞り、54……偏向
コイル、54a……走査電源部、55……対物レンズ、55a…
…レンズ電流制御部、60……検出器、70……信号制御部
（第３の手段）、80……表示部、80a,80b……観察画
像、90……パターンマッチング処理部（第１の手段）、
91,92……画像メモリ（第１の手段）、100……軸ずれ補
正値記憶部（第２の手段）。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】対象物に向けて電子線を放射する電子線源
と、前記電子線の経路に設けられ、少なくとも前記電子
線の前記対象物に対する焦点位置および走査を制御する
電子光学系と、この電子光学系の一部をなし、当該電子
光学系の軸ずれ補正する軸ずれ補正手段と、前記電子線
の照射によって前記対象物から発生する二次電子および
反射電子の少なくとも一方の量を検出する検出器と、こ
の二次電子および反射電子の少なくとも一方の検出量と
前記電子線の走査位置とに基づいて前記対象物の観察画
像を構成する表示手段と、焦点位置を変化させることに
より前記電子光学系の軸ずれ量に応じて生じる前記観察
画像の移動量を求める第１の手段と、前記移動量と当該
移動量に対応する前記軸ずれ量を補正するために前記軸
ずれ補正手段へ与えられる補正情報を記憶する第２の手
段と、前記第２の手段から現在の前記軸ずれ量に対応す
る前記補正情報を読み出して前記軸ずれ補正手段に与え
ることより、前記電子光学系の軸ずれを補正する動作を
行う第３の手段とを備えたことを特徴とする走査電子顕
微鏡。
【請求項２】前記第１の手段は、前記表示手段の異なる
位置に表示される同一の前記観察画像にパターンマッチ
ング処理を施すことにより、前記電子光学系の軸ずれ量
に応じて生じる前記観察画像の移動量を求める動作を行
うようにした請求項１記載の走査電子顕微鏡。
【請求項３】前記第３の手段は、前記第１の手段によっ
て検出された前記観察画像の移動量に対応する前記電子
光学系の軸ずれ量が所定の許容範囲を逸脱した場合に、
操作者に対して警報を発し、前記警報は、前記表示手段
の一部に文字または画像情報として表示されるようにし
た請求項１または２記載の走査電子顕微鏡。
【請求項４】半導体集積回路装置の製造工程における半
導体集積回路パターンの外観検査に用いられる請求項1,
2または３記載の走査電子顕微鏡。