JP2851213B2 - 走査電子顕微鏡 - Google Patents

走査電子顕微鏡

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JP2851213B2 JP4258547A JP25854792A JP2851213B2 JP 2851213 B2 JP2851213 B2 JP 2851213B2 JP 4258547 A JP4258547 A JP 4258547A JP 25854792 A JP25854792 A JP 25854792A JP 2851213 B2 JP2851213 B2 JP 2851213B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は集積回路の製造工程中で
ウェハ上に形成された微細パターンを観察し測定するた
めの走査電子顕微鏡に関する。
【0002】
【従来の技術】電子ビーム(EB)を用いた寸法測定装
置(寸法SEM)に代表される半導体ウェハ観察用の走
査電子顕微鏡は、ウェハの大口径化に伴なって年々大型
化してきている。図4に現在一般的に使われているEB
寸法測定装置の基本的な構造を示す。図4においてウェ
ハ114を収納した試料室(試料チャンバー)111の
上に電子光学鏡筒(コラム)112が載置されている。
【0003】電子光学鏡筒(コラム)112は電子銃室
120内に収納された電子銃121と、電子銃室120
を高真空に保持するためのイオンポンプ122と、電子
銃121から放出された電子ビームを細く絞るためのコ
ンデンサレンズ123および対物レンズ124と、二次
電子検出器125とを備えている。
【0004】二次電子検出器125はコラム112外に
置いてもかまわないが、最近では検出効率を向上させて
より高分解能で観察するために、対物レンズ124の上
方あるいは真下に取付けてコラム112と一体化して使
うことが多く行なわれている。
【0005】試料室111の内部にはXYステージ(傾
斜観察が必要ならばXYZステージ)113が設けら
れ、XYステージ113上にウェハ114が載置されて
いる。XYステージ113の移動は後述のようにモータ
ドライブで制御されている。図4は基本的な構成のXY
ステージの断面構造を示している。図4において、上段
をY軸、下段をX軸として以下動作原理と構造を説明す
る。
【0006】図4に示すようにX軸ステージ115は、
X軸クロスローラガイド151により保持され、X方向
にスライドして移動する。すなわちX軸クロスローラガ
イド151は固定盤152に固定され、Xステージ11
5は固定盤152に固定されているX軸パルスモータ1
53とX軸ボールネジ154により、X方向の駆動力を
あたえられてX軸クロスローラガイド115上をスライ
ドして移動する。
【0007】Y軸ステージ116はY軸クロスローラガ
イド161上に載置され、図示しないY軸パルスモータ
とY軸ボールネジ162によりY方向に移動する。これ
らの動作を組み合わせてXYのステージ113の移動が
行なわれる。
【0008】XYステージ113の移動範囲は、ウェハ
114の全面を観察することが必要であるので、最低で
もXY両軸でウェハサイズの2倍の移動スペースが必要
となる。すなわち、8インチウェハであればステージは
最低でも40cm口の移動スペースを必要とする。実際に
は、これに加えて駆動力の伝達機構等があり、必要とす
るスペースはさらに大きくなる。XYステージ113の
重量は要求される精度によってかなり異なるが、8イン
チウェハ観察用の、XY方向移動のみのものであって、
停止精度±2〜3μmのものでXYステージ113の単
体で20Kg程度である。
【0009】ウェハ114が大きくなるにつれて、パタ
ーンも微細化されていく。この結果、XYステージ11
3に要求される移動精度および停止精度を向上させる必
要があり、さらに移動速度を速くすることが必要とあ
る。すなわち、ウェハサイズが大きくなっていくと、移
動速度が同一であれば、ウェハ114の端から端までの
移動時間が増加してしまう。これらの要求を満足するた
めに、XYステージ113の構造は益々複雑になり、結
果としてXYステージ113は大型化し、さらにその結
果、走査電子顕微鏡全体のフロアスペース(床面積)が
大きくなってしまう。このような走査電子顕微鏡を使う
場合はインプロセス管理(ウェハをクリーンルームの外
に出さない)が必須となる。このためクリーンルーム内
に設置して使うことを考えると、走査電子顕微鏡の大型
化は深刻な問題となる。しかしながら、上述の理由によ
り、むしろ走査電子顕微鏡は大型化の傾向にある。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】ウェハの大口径化に伴
う走査電子顕微鏡の大型化、特にフロアスペースの大面
積化の原因は、基本的には図4に示すように、コラム1
12を固定した状態でXYステージ113を動かすこと
によりウェハ114全面を観察しようとする点にある。
この方式を踏襲する限りウェハ114の径が大きくなる
につれて、最低でもその増加量の2倍づつステージのス
トロークが長くなる(面積的には4倍になる)。
【0011】このような装置構成をとらざるをえない最
大の原因の一つは、従来コラム112の形状と重量が大
きいことである。さらにこの点を詳しく述べれば、磁
界型レンズを使った従来のコラムでは電磁石の重量が重
い、高真空を得るための排気ポンプが重い、等がその
原因になっている。
【0012】これまでの走査電子顕微鏡(SEM)のレ
ンズは磁界型レンズが用いられている。磁界型レンズは
電磁石を使って発生した磁界のレンズ作用により電子ビ
ームを集束させるもので、原理的構造として磁界を整形
するために磁性体のヨークを必要とする。現在使われて
いる通常のSEMのレンズ構成は3段の集束用レンズ
(対物レンズ1段、コンデンサレンズ2段)からなり、
これらの集束用レンズ以外にもアライナント補正用、非
点収差補正用、およびビームの走査用レンズが必要とな
る。従って、コラム112のハウジングを含めた全重量
は、小さいものでも20Kg−30Kgになる。
【0013】磁界型レンズの特徴として、広いエネルギ
ー領域(通常のSEMの利用目的では5keV−20keV
程度)で平均して良好な収差特性が得られることがあげ
られる。また磁界型レンズは電子顕微鏡以来の実績があ
り、これらの理由により広く用いられている。しかしな
がら、ウェハの観察の用途に限定して考えると、事情は
異なってくる。半導体ウェハの試料は電子ビームの照射
による特性の劣化(照射ダメージ)や、観察対象に圧倒
的に絶縁物が多くこれらのチャージアップの緩和等の理
由により、従来よりはるかに低エネルギーの電子ビーム
で観察することが要求されている。具体的には0.5ke
V−1.5keVの低エネルギーの電子ビームで観察され
る。
【0014】磁界型レンズを用いてこの低エネルギー領
域で良好な収差特性を得るためには、短焦点高励磁型の
レンズが必要となる。このためには、強い磁場を発生さ
せることが必要で、この結果、特に対物レンズの励磁電
流を大きくする必要があり、対物レンズは大型化しかつ
重くなる。さらに、大きな磁場を発生するためには、高
いアンペアターンを必要とするので、電流による発熱も
問題になり、レンズの冷却のために水冷することが必要
である。
【0015】次に真空排気系の問題について説明する。
ここで問題となるのは主として電子銃室120(図4)
を排気するための真空ポンプである。先に述べたよう
に、半導体試料を観察するためには低エネルギーの電子
の集束が必要であるが、レンズ特に対物レンズの収差、
例えば色収差は電子エネルギーが低くなるとその影響が
大きくなり、結果としてビームは絞りにくくなる。これ
をカバーするために、高輝度の電子銃121を使うこと
が行なわれている。
【0016】電界放出型電子銃は輝度が高く、かつ放出
電子のエネルギー分散が小さいのでこのような目的には
最適であるが、欠点として安定な動作を保証するために
は電子銃室120内の高真空を必要とする。具体的に
は、冷陰極型電子銃(CFE)で10-10 Torr以上、熱
電界放出型電子銃(TFE)では10-9Torr以上の高真
空が必要である。このため、これまでは電子銃だけをイ
オンポンプで独立して排気する構造がとられていた。
【0017】しかしながら以上述べてきたように、ウェ
ハに代表されるような大型の試料を観察する装置を小型
化かつ軽量化するための障害になっているのは、 (1)コラム112を固定して大型の試料114をのせ
たXYステージ113を移動させることが必要となり、
このため原理的に試料室111の大きさが大きくなる。 (2)またコラム112が大きくかつ重いため、コラム
112を試料室111に固定して使わなければならな
い。 (3)さらにコラム112は、磁界型レンズを有してい
るため、コラム112が大きくかつ重くなる。
【0018】本発明はこのような点を考慮してなされた
ものであり、大口径のウェハのような大型の試料を観察
することができ、小型かつ軽量特にフロアスペースの小
さい走査電子顕微鏡を提供することを目的とする。
【0019】
【課題を解決するための手段】本発明は、試料室と、前
記試料室内に設けられ、ウェハを保持するための試料台
と、前記試料室内において前記試料台に対向して設けら
れ、電子銃室内で発生した電子ビームを前記試料に放射
する電子光学鏡筒と、前記試料室内に設けられ、前記電
子光学鏡筒を前記ウェハと平行な平面上を移動させるX
Y移動機構と、を備え、電子光学鏡筒の電子銃室内に、
吸着型のゲッタポンプを内蔵するととともに、電子銃室
の壁面に試料室と連通して電子銃室内を補助排気する穴
を設けたことを特徴とする走査電子顕微鏡である。
【0020】
【作用】本願発明によれば、電子光学鏡筒の電子銃室内
に吸着型のゲッタポンプを内蔵したので、真空ポンプの
軽量化を図ることにより、電子光学鏡筒自体を軽量化す
ることができる。また電子銃室の壁面に試料室と連通し
て電子銃室内を補助排気する穴を設けたことにより、ゲ
ッタポンプを効果的に動作させることができる。
【0021】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例につい
て説明する。
【0022】図1は本発明の第1実施例を示す図であ
る。また図1(a)は本発明による電子光学鏡筒を示
し、図1(b)は対応する電子光学系の光線図を示す。
【0023】図1(a)において、電子光学鏡筒(コラ
ム)10はケース10aを有し、ケース10aの上部
に、スリーブ26を有する仕切板26aにより区画され
電子銃室20が形成されている。また電子銃室20内
に電子銃カソード(電子放出源)21および電子銃レン
ズ22が収納されている。
【0024】電子銃カソード21としては、高分解能を
目的とする場合電界放出型が使われる。この理由として
は、電界放出型が輝度が高く電子ビームをより小さく絞
れること、および放出電子のエネルギー分散が小さく、
レンズ特に対物レンズの色収差によるビームの広がりを
おさえることができるためである。
【0025】レンズ系は基本的には、上述した電子銃レ
ンズ22と、対物レンズ(収束レンズ)23と、ビーム
の走査と非点収差の補正を行なうためのマルチポールレ
ンズ24とからなるレンズ系で構成されている。基本的
には電子銃レンズ22と対物レンズ23はいずれも静電
型電界レンズ構造となっており、動作条件のみが異な
る。
【0026】静電型電界レンズからなる対物レンズ23
は円筒型あるいは円板型の電極が複数個組合わされて構
成されている。図1に示す対物レンズ23は最も簡単な
構造でアインツェルレンズと呼ばれており、3枚の電極
23a,23b,23cから構成されている。このうち
第1の電極23aはアース電位に、第2の電極23bは
レンズ電界を形成するため負電位に、第3の電極23c
はアース電位に各々バイアスされている。また各電極2
3a,23b,23cはセラミック等の絶縁物のホルダ
ー23dにアセンブリされている。
【0027】またマイクロチャンネルプレートを使った
二次電子検出器25が、コラム10のケース10a下面
に直接取付けられている。二次電子検出器25はマイク
ロチャンネルプレート25aにより二次電子を増倍し、
アノード板25bで増倍された電子を電流として検出す
るものである。またスリーブ26を有する仕切板26a
ケース10a内に設けられ、電子銃室20へ試料室4
1(図3)から残留ガスが逆流しないようコンダクタン
スを低下させている。
【0028】次に図1(b)に示す光線図で、レンズ系
の動作を説明する。電子銃カソード点71から放出され
た電子ビームは電子銃レンズ点72で集束しマルチポー
ルレンズ24の中心位置にクロスオーバ73を結ぶ。さ
らに電子ビームは対物レンズの中心74から縮小され、
試料表面上75に縮小投影される。
【0029】図1からわかるように、静電型電界レンズ
で構成されたコラム10は小型であり、かつ磁界型にレ
ンズを用いた場合に比較して軽量となる。具体的には、
コラム10は全長200mm以下、外径50mm以下、重量
2−3Kgとなる。但し、これは真空排気系を含まないと
きの数字である。
【0030】以上のように本実施例によれば、コラム1
0の小型/軽量化を図ることができる。また低加速電圧
の動作領域では、これまでの磁界型レンズと比較して同
等あるいはそれ以上の低収差が期待できる。すなわち半
導体ウェハは、電子の照射ダメージの防止とウェハの帯
電(チャージアップ)を防止するために1kV前後の低加
速電圧で動作させる必要があり、高い加速電圧は必要な
いため静電型電界レンズを有するコラムの特徴を生かす
ことができる。
【0031】次に図2により本発明の第2の実施例につ
いて説明する。
【0032】上述のように、従来の電子銃室の排気は、
イオンポンプにより行なわれてきた。これは、イオンポ
ンプが振動を発生せずに電界放出型電子銃の安定な動作
に必要とされる高真空をえるのに適しているからであ
る。
【0033】本発明では図2に示すように、ゲッタポン
プ(Non-evaporable Getter Pump)を用いて電子銃室2
0を排気する。このことにより装置の軽量化を図り、か
つ10-9Torr〜1010Torrの高真空を容易に得ることが
できる。このゲッタポンプはZr,Fe,Cu等の焼結
体でガス分子を物理吸着、あるいはガス種によっては化
学吸着させて残留ガスを排気するものであり、小型で軽
く、かつ高い排気速度が得られる。また、ゲッタポンプ
を利用することで、排気系の小型化と軽量化が達成で
き、コラム10の大きさと重量に影響を与えない排気系
を構成することができる。図2はゲッタポンプによる排
気方法を示す電子銃室の拡大図である。電子銃室20内
には、電子銃カソード21と電子銃レンズ22が収納さ
れており、スリーブ26により隔離されて高真空を維持
するようになっている。ゲッタポンプ34は円筒形状に
加工されて、電子銃カソード21を囲むように配置され
ており、リード線35で外部電流源に接続されている。
【0034】リード線35はゲッタポンプ34内に埋め
込まれたヒータ(図示せず)に電流を供給するためのも
のである。このヒータは、ゲッタポンプ34の排気動作
時の加熱のため、および数100時間に1回のアクチベ
ーションのためにゲッタポンプ34を高温(材料によっ
て異なるが概ね400〜500℃程度)に加熱するため
のものである。なお、ゲッタポンプ34は常温でも動作
は可能であるが、アクチベーションの頻度が高くなる。
ここでアクチベーションとはゲッタポンプ34に吸着し
たガス分子を脱ガスし、ゲッタポンプを再度活性化する
ためのものである。
【0035】電子銃室20の壁面には排気用の穴36が
開けられている。この穴36の目的は、2つある。1つ
の目的としては、ゲッタポンプ34は大気圧からは動作
させることはできないので、必ず補助排気が必要とな
る。通常は10-5−10-6Torr程度で動作を開始させる
のが良いので、電子銃室20内を穴36を介して排気す
るため必要となる。もう1つの目的は、アクチベーショ
ンのときの脱出ガス分子を外部に排気するために用いら
れる。
【0036】排気系を含めて小型、軽量のコラム10を
提供することにより、従来のようにコラム10を固定し
た状態で大きなXYあるいはXYZステージを移動させ
てウェハを観察する必要がなくなり、ステージを固定し
ておき、コラムを移動させることが可能となる。
【0037】次に、図3により本発明の第3の実施例に
ついて説明する。図3において、第1の実施例または第
2の実施例で示したコラム10が試料台42上に配置さ
れ、全体として走査電子顕微鏡が構成されている。以
下、この走査電子顕微鏡について説明する。
【0038】図3において、試料室40の内部にステー
ジ(試料台)42が設けられ、ステージ42上にウェハ
43が載置されている。ステージ42は移動機構はな
く、固定式である。試料室40内の上部にはXY移動機
構41が設置されている。XY移動機構41の動作メカ
ニズムは図4に示すXYステージ103と同一のもので
ある。
【0039】図3に示すXY移動機構41において、上
段をX軸、下段をY軸とする。X軸移動機構44は試料
室40上部に設けられたX軸クロスローラガイド51で
保持され、X軸クロスローラーガイド51に沿ってX方
向に移動する。このときの駆動力は、試料室上部に固定
された固定盤52に取付けられているパルスモータ53
とボールネジ54によって与えられ、X軸移動機構44
はX軸クロスローラガイド51に沿ってX方向にスライ
ドし移動する。Y軸移動機構45はX軸移動機構44の
下方に取付けられている。Y軸パルスモータ(図示せ
ず)とY軸ボールネジ61によりY軸方向の駆動力が与
えられ、Y軸移動機構45はY軸クロスローラガイド6
2に沿ってスライドし移動する。
【0040】このY軸移動機構45の下方に図1または
図2に示したコラム10が設置されている。このコラム
10の移動スペースは試料の大きさと同一でもよく、8
インチのウェハであれば8インチのみとなる。これに対
しステージが移動する場合は、ステージの移動スペース
として8インチ×2=16インチの移動スペースが必要
となる。またこのコラム10は上述のように重量が軽い
ので、ここで使われるXY移動機構41は小さくかつ構
造的にも簡略化ができる。
【0041】図3に示した構造は、1本のコラム10を
用いてウェハ43に対し順次観察と移動を繰り返し行な
う方式である。しかしながらウェハ43の面積がコラム
の観察領域に比べてかなり大きい場合、複数個のコラム
10をXY移動機構41に並べて設置することにより、
同一ウェハ43上の複数部分を同時に複数のコラム10
で観察することが可能となる。
【0042】さらに、ステージ42の代わりに従来のX
Yステージ113(図4参照)を併用すれば、コラム1
0とXYステージ113を同時に移動させられるので、
移動速度は倍になり検査時間の短縮がはかれる。この場
合、XYステージ113の移動精度をあまり問題とせ
ず、コラム10のXY移動機構44を高精度にすること
が有効である。これは、上述のようにコラム10が軽量
なのでXY移動機構44のほうが構造が簡略であるため
高精度化がはかり易いからである。
【0043】なお、上記実施例においてウェハ表面の平
面的な観察を例にして説明したが、XY移動機構41の
下方にもう1つ傾斜機構(図示せず)をとりつけること
により、ウェハの傾斜観察を行なうことができる。
【0044】以上説明したように、本実施例によれば、
ウェハ43を固定してコラム10を移動させることで、
ウェハ43を移動させる場合に比較してウェハ43全領
域を観察するために必要な移動スペースが半減し、試料
室40の大きさを小さくすることができる。この結果、
走査電子顕微鏡全体の大きさに影響する試料室40の大
きさが小さくなり、装置全体の大きさを小さくすること
ができる。また、小型のコラム10を使うことができ、
かつ複数個のコラムを使うことができるので、同一ウェ
ハ43上の複数箇所を同時に観察することが可能にな
る。さらに、コラム10の移動とステージの移動を併用
することにより相対的な移動速度が速くなり、検査に要
する時間が短縮される。
【0045】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、吸
着型のゲッタポンプを用いることにより電子光学鏡筒自
体を軽量化させて試料室内でXY移動機構により電子光
学鏡筒をスムーズに移動させることができる。また電子
銃室の壁面に補助排気用の穴を設けたことにより、ゲッ
タポンプを効果的に動作させて、電子銃室内を確実に真
空状態に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による電子光学鏡筒を示す側断面図。
【図2】ゲッタポンプを設けた電子光学鏡筒を示す拡大
側断面図。
【図3】本発明による走査電子顕微鏡を示す全体概略
図。
【図4】従来の走査電子顕微鏡を示す全体概略図。
【符号の説明】
10 電子光学鏡筒 10a ケース20 電子銃室 21 電子銃カソード(電子放出源) 22 電子銃レンズ23 対物レンズ(収束レンズ) 24 マルチポールレンズ26 スリーブ 26a 仕切板 34 ゲッタポンプ 40 試料室 41 XY移動機構 42 試料台 43 ウェハ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−51440(JP,A) 特開 平4−65057(JP,A) 特開 平4−51441(JP,A) 特開 昭51−131267(JP,A) 特開 平1−169860(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01J 37/28 H01J 37/16 - 37/18 H01J 37/06 H01J 37/12

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】試料室と、 前記試料室内に設けられ、ウェハを保持するための試料
    台と、 前記試料室内において前記試料台に対向して設けられ、
    電子銃室内で発生した電子ビームを前記試料に放射する
    電子光学鏡筒と、 前記試料室内に設けられ、前記電子光学鏡筒を前記ウェ
    ハと平行な平面上を移動させるXY移動機構と、 を備え、 電子光学鏡筒の電子銃室内に、吸着型のゲッタポンプを
    内蔵するととともに、電子銃室の壁面に試料室と連通し
    て電子銃室内を補助排気する穴を設けたことを特徴とす
    る走査電子顕微鏡。
  2. 【請求項2】前記試料台および前記電子光学鏡筒のいず
    れもが、前記平面上を移動可能となっていることを特徴
    とする、請求項1記載の走査電子顕微鏡。
  3. 【請求項3】前記電子光学鏡筒が前記試料室内に複数設
    けられていることを特徴とする、請求項1または2に記
    載の走査電子顕微鏡。
  4. 【請求項4】前記電子光学鏡筒は、 開口を有するケースと、 前記ケース内で前記開口と対向して設けられた電子銃室
    に収容され、電子ビームを放出する電子放出源および前
    記電子ビームを変換する電子銃レンズと、 前記ケース内において前記電子銃室の外側に設けられ、
    前記電子銃室から放出された前記電子ビームを収束させ
    る収束レンズとを有し、 前記電子銃レンズおよび前記収束レンズは、静電型電界
    レンズで構成されていることを特徴とする、請求項1乃
    至3いずれかに記載の走査電子顕微鏡。
  5. 【請求項5】前記ケース内の前記電子銃室は、電子銃室
    内のコンダクタンスを低下させるためのスリーブを有す
    る仕切板により区画されていることを特徴とする、請求
    項4記載の走査電子顕微鏡。
  6. 【請求項6】前記電子銃室と前記収束レンズとの間に、
    前記電子ビームの走査および非点収差の補正を行うため
    のマルチポールレンズが設けられていることを特徴とす
    る、請求項4または5に記載の走査電子顕微鏡。
  7. 【請求項7】二次電子検出器が、前記ケースの開口の外
    側に設けられていることを特徴とする、請求項4乃至6
    いずれかに記載の走査電子顕微鏡。
  8. 【請求項8】前記二次電子検出器は、二次電子を増倍す
    るためのマイクロチャンネルプレートと、前記マイクロ
    チャンネルプレートにより増倍された二次電子を電流と
    して検出するアノード板と、からなることを特徴とす
    る、請求項7記載の走査電子顕微鏡。
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