JP3216474B2 - 走査型電子顕微鏡 - Google Patents

走査型電子顕微鏡

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JP3216474B2 JP07277095A JP7277095A JP3216474B2 JP 3216474 B2 JP3216474 B2 JP 3216474B2 JP 07277095 A JP07277095 A JP 07277095A JP 7277095 A JP7277095 A JP 7277095A JP 3216474 B2 JP3216474 B2 JP 3216474B2
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
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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、半導体製造工程におい
て、ウェーハ等の外観検査等を行う走査型電子顕微鏡に
関するもので、特に全自動で一枚または複数枚のウェー
ハ上の複数個のチップに渡り各測定位置で自動焦点合わ
せを行うに好適な装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、本発明に関連する電子顕微鏡の発
明に、例えば、特開昭63−254149号がある。
【０００３】前記発明は、試料表面にレーザ光などの光
束を照射する手段と、前記試料表面から反射される反射
光の位置を検出する検出器と、前記検出器により検出さ
れた検出結果をもとに試料表面の上下の移動距離または
高さを測定することで高さ方向測定結果を得て、その測
定結果により試料表面に電子ビームの焦点を結ぶ電子レ
ンズ系、特に焦点合わせレンズの制御回路を制御するも
のである。
【０００４】しかし、表面に反射率の違いを含む光学的
外乱要因を有するウェーハ等の試料においては、測定結
果に大きい誤差を有する。これは、光束を試料表面に照
射して、その表面の高さを測定する際に、ウェーハ上に
形成されたパターンにより、場所により反射率が異なる
場合に検出器に入る光の強度または強度の分布が変化
し、ウェーハ表面の高さ測定精度を低下させるためであ
る。これに対して特開昭57−139607号において、検出器
に入る光量が常にあらかじめ設定された基準値に等しく
なるように光源に帰還を施し、試料上におけるスポット
の径を絞ることによって強度分布の変化を小さくし、試
料表面高さの測定精度を高めている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従来技術において、表
面にパターン等による光学的外乱要因、特に凹凸を有す
るウェーハ等の試料に光束を照射し、試料上にある光学
的外乱要因により前記反射光が散乱し、前記検出器の検
出結果を乱し、前記高さ方向測定結果が乱れて焦点合わ
せレンズ制御を不安定にしていた。
【０００６】また、検出器に入る光量が常にあらかじめ
設定された基準値に等しくなるように光源に帰還を施
し、試料上におけるスポットの径を絞ることによって強
度分布の変化を小さくし、試料表面高さの測定結果の精
度を高めても、ウェーハ等にみられるパターン等を表面
に有する試料での表面の凹凸による反射光の散乱によ
り、測定結果に含まれる誤差を防止することは不可能で
ある。
【０００７】本発明は、試料上にある前記光学的外乱要
因により前記高さ方向測定結果に乱れが生じても、前記
焦点合わせレンズの制御を安定して行い、高速かつ高精
度な自動焦点合わせを可能とする走査型電子顕微鏡を提
供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の走査型電子顕微
鏡は、高さ計測器による測定結果に基づいて前記電子ビ
ームの焦点を調節する手段を備え、試料駆動機構系によ
り電子ビームの照射点を観察位置に移動する時間に、高
さ測定器によって複数箇所の高さ測定を行い、この複数
箇所の高さと、移動前の電子ビーム照射箇所との高さの
違いに基づいて得られる複数の値の平均値を演算する。
【０００９】
【作用】本発明は、測定値有効時間内に試料表面高さの
測定を行い試料表面高さを求めるため、外乱および試料
表面上の特徴により前記反射光が一時的に変化しても安
定した焦点合わせレンズの制御を行える。
【００１０】
【実施例】図１は本実施例による走査型電子顕微鏡の概
略構成図である。試料１の表面を観察するために、走査
型電子顕微鏡鏡筒２を持つ。図示外の電子ビーム発生装
置からの電子ビームは、電子顕微鏡鏡筒２によって試料
１の表面に焦点を結ぶ。焦点の電子光学軸ＡＸ方向の位
置は、試料１の表面と一致するように焦点合わせレンズ
３により調整する。
【００１１】この時、試料１の表面の任意の位置を観察
するために、試料駆動機構系４によって試料１を電子光
学軸ＡＸとは直角な平面内で移動させる。移動後、試料
１の表面の電子光学軸ＡＸ方向の位置が何らかの原因
で、例えば試料１の表面自身の反り、または試料駆動機
構系４のＡＸ方向に直角な平面内からのずれなどにより
変化した時、試料１の表面と電子ビームの焦点とが一致
しなくなる。その差を焦点ずれΔＺとする。
【００１２】例えば、移動後の観察時に、焦点合わせを
自動的に行うために、焦点合わせレンズ３の制御を自動
的に行う必要がある場合、あらかじめ決めておいた複数
の試料１上の観察位置について、試料駆動機構系４を自
動的に移動後、自動焦点合わせを行い、自動的に観察す
る場合に、焦点ずれΔＺを知る必要がある。
【００１３】そこで、本実施例では試料表面の高さ方向
測定器を備えている。これは、試料１の表面へ入射され
るレーザを発するレーザ光源５を持ち、そのレーザは試
料１の表面上に第一レンズ７により焦点を結ぶ。このレ
ーザを以下では入射光と呼ぶ。原理を図２に示す。い
ま、試料表面高さは図中のＺa の位置にある。レーザ光
源５を発した入射光は光軸６を通り、試料１の表面上の
点Ｐa に当ると反射される。その反射光は光軸８−ａを
通りリニアセンサ１０へと向かう。この時、試料１の表
面高さΔＺだけ変化して図中のＺb の位置に変化する
と、その表面は破線のようになる。入射光６は点Ｐb へ
と反射する位置を変えるので、反射角度θはそのまま
で、反射光８は光軸８−ｂ上を通りリニアセンサ１０へ
向かうようになる。光軸８−ａと８−ｂの光軸に垂直な
方向での光路差Δ１がリニアセンサ１０上の反射光の焦
点位置ずれ量となる。この光路差Δ１と焦点ずれ量ΔＺ
との関係は式（１）で表せ、直線的な関係を持つ。
【００１４】 ΔＺ＝Δ１×sinθ …（１） 従って、光路差Δ１をリニアセンサ１０により検出し、
式（１）によって変換することで焦点ずれ量ΔＺを知る
ことが可能となる。
【００１５】光路差Δ１を示すリニアセンサ１０の出力
はセンサ出力−試料高さ変換器１１により式（１）に従
って焦点ずれ量ΔＺへと変換される。この時、試料１の
表面上に光学的外乱要因、例えば凹凸や表面反射率の違
いなどが存在すると、入射光６の光の強度が一定でも反
射光８の光の強度が変化する。また、併せてリニアセン
サ１０では、反射光８の焦点上の光の強度分布が入射光
の持つガウス分布から大きく変化する。このような時、
リニアセンサ１０では反射光８の焦点位置を示すスポッ
トの位置を反射光８の光軸に垂直な方向に誤って検出す
る。つまり、スポット内の光の強度分布が変化すると、
スポットのリニアセンサ上の検出位置となる重心の位置
が変化し、焦点ずれ量ΔＺの測定値に測定誤差を含むこ
とになる。
【００１６】試料１は試料駆動機構系４によって電子光
学軸ＡＸに垂直な面内で移動するので、この間の本実施
例での高さ方向測定器の出力、ここではセンサ出力−試
料高さ変換器１１の出力は図３のようになる。つまり、
試料１の表面高さの変化に従った直線または曲線となる
Ｌに沿って焦点ずれ量ΔＺの測定結果は変化するが、試
料表面上の光学的外乱要因の位置と入射光６の焦点位置
であるＰ−ａまたはＰ−ｂが一致する時間ｔa およびｔ
b で、Ｌ上からずれて図中のＡ部およびＢ部となって現
れる。
【００１７】そこで、本実施例では、焦点ずれ量ΔＺの
測定値を示すセンサ出力−試料高さ変換器１１の出力値
を時間分割スイッチ１２により一定時間毎に切り換え
て、複数個の保持器１３に時間に従って分配および保存
される。例えば、図１では６個の保持器１３を備え、そ
れらは１３−ａから１３−ｆで表してある。最初のセン
サ出力−試料高さ変換器１１の出力は時間分割スイッチ
１２により１３−ａへ入力される。次の出力値は１３−
ｂへ、以下同様に本択された保持器へと逐次的に入力さ
れ、最後の保持器１３−ｆへ入力し終わると時間分割ス
イッチ１２は最初の値の入力されている保持器１３−ａ
へ切り換わり、次のセンサ出力−試料高さ変換器１１の
出力値を入力する。以下、この動作を繰り返し、常に保
持器１３の個数分のみ逆上って、ここでは６個前までの
焦点ずれ量ΔＺの測定結果を一時的に保存しているよう
にする。この様子を図４のフローチャートに示す。
【００１８】［ステップ１５］まず、試料上の現在の観
察位置から任意の箇所へ観察位置を移動するように試料
駆動系４を駆動する。
【００１９】［ステップ１６］試料駆動機構系４が移動
を開始すると、本実施例の高さ測定器による試料表面高
さの測定が開始し、センサ出力−試料高さ変換器１１か
ら焦点ずれ量ΔＺの測定値を得る。この焦点ずれ量ΔＺ
の測定値を時間分割スイッチ１２に同期して保持器１３
へ取り込む。例えば、ｍ回目の測定結果をΔＺm とす
る。
【００２０】［ステップ１７］次に、センサ出力−試料
高さ変換器１１の出力である焦点ずれ量ΔＺm を時間分
割スイッチ１２により選択された保持器１３の内の１つ
に一時的に保存する。 ［ステップ１８］試料上の観察位置が目的とする位置と
一致すると、試料駆動機構系４の駆動を終了し、本実施
例による高さ方向測定器による焦点ずれ量ΔＺの測定
と、時間分割スイッチ１２による切り換え動作を終了す
る。一致しない時には、次段のｍ＋１回目の測定を行う
ためにステップ１６へ戻る。
【００２１】［ステップ１９］本実施例による高さ方向
測定器の最後の測定結果をΔＺm とし、保持器１３の個
数をｎ個と置くと、平均演算器１４では式（２）に従
い、試料駆動機構系４の駆動終了後の観察位置での焦点
ずれ量を得る。
【００２２】 ΔＺ＝｛ΔＺm-n＋ΔＺm-n+1＋…＋ΔＺm｝／ｎ …（２） つまり、最終的な焦点ずれ量ΔＺをｎ個の保持器１３の
保存している測定値の平均値とする。
【００２３】［ステップ２０］焦点合わせレンズ制御器
１５では、ステップ１９で得られた焦点ずれ量ΔＺの値
を０とする方向に電子光学軸ＡＸ方向に電子ビームの焦
点を変えるように、焦点合わせレンズ３の制御を行う。
この様にすることで、焦点合わせレンズ３の制御は、図
５の様に試料表面上の光学的外乱要因の位置と入射光６
の焦点位置が一致する時間ｔaおよびｔbでＬ上からずれ
ない焦点ずれ量ΔＺの測定結果により行うことと等価と
なる。
【００２４】ただし、焦点合わせを上記のように焦点を
軸ＡＸ方向に動かす方法によらず、試料駆動機構系４を
軸ＡＸ方向に移動させることで電子ビームの焦点位置と
試料表面高さの差である焦点ずれ量ΔＺを０としても良
い。
【００２５】以上の一連の動作によって、電子ビームの
焦点と試料１の表面とが、試料１表面の光学的外乱要因
に影響を受けることなく、一致させることが可能とな
る。
【００２６】
【発明の効果】本発明は走査型電子顕微鏡の焦点合わせ
をレーザを用いて高速かつ高精度に行う方法において、
その表面にパターン等による光学的外乱要因、特に凹凸
の有するウェーハ等の試料であっても安定に焦点合わせ
を行うものである。
【００２７】本発明の効果によって、走査型電子顕微鏡
の焦点合わせが安定的に高速かつ高精度に行うことがで
き、半導体産業等における検査装置として使用されてい
る走査型電子顕微鏡においてスループットを向上させる
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の走査型電子顕微鏡における焦点合わせ
装置の一実施例を示すブロック図。
【図２】本発明の高さ方向位置測定系の原理図。
【図３】本発明において試料を移動させた時の位置検出
結果を示す図。
【図４】本発明の位置測定補正結果を求めるための計算
の流れを表す図。
【図５】本発明による補正後の位置測定結果を示す図。
【符号の説明】
１…試料、２…走査型電子顕微鏡鏡筒、３…焦点合わせ
レンズ、４…試料駆動機構系、５…レーザ光源、６…入
射光光軸、７…第一レンズ、８…反射光光軸、９…第二
レンズ、１０…リニアセンサ、１１…センサ出力−試料
高さ変換器、１２…時間分割スイッチ、１３…保持器、
１４…平均演算器、１５…焦点合わせレンズ制御器、Ａ
Ｘ…走査型電子顕微鏡電子光学軸、θ…入射光入射角
度、Ｐ…入射光の反射点、Ｚ…試料表面高さ方向位置、
ΔＺ…焦点ずれ、Δ１…反射光光路差、ｔAおよびｔB…
試料表面上の光学的外乱要因の位置と入射光６の焦点位
置が一致する時間、ＡおよびＢ…時間ｔAおよびｔBでセ
ンサ出力−試料高さ変換器の出力値に現われる外乱。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 笹田 勝弘 茨城県ひたちなか市大字市毛882番地 株式会社 日立製作所 計測器事業部内 (56)参考文献 特開 昭62−200643（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−206608（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−254649（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−21553（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01J 37/21

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】電子ビームの走査により試料像を得る走査
    型電子顕微鏡であって、試料に焦点を結ぶための焦点合
    わせレンズと、前記試料を移動させるための試料駆動機
    構系と、光束を前記試料に照射する手段と前記光束の前
    記試料の上面での反射光を検出する検出手段を含む高さ
    測定器と、当該高さ計測器による測定結果に基づいて前
    記電子ビームの焦点を調節する手段を備えた走査型電子
    顕微鏡において、 前記試料駆動機構系により前記電子ビームの照射点を観
    察位置に移動する時間に、前記高さ測定器によって複数
    箇所の高さ測定を行い、当該複数箇所の高さと、移動前
    の電子ビーム照射箇所との高さの違いに基づいて得られ
    る複数の値の平均値を演算する手段を備えたことを特徴
    とする走査型電子顕微鏡。
  2. 【請求項２】請求項１において、前記高さ測定の結果を
    基に、前記試料駆動機構系を電子レンズ系の電子光学軸
    方向に移動させることにより焦点合わせを行うことを特
    徴とする走査型電子顕微鏡。
  3. 【請求項３】 電子ビームの走査により試料像を得る走査
    型電子顕微鏡であって、試料に焦点を結ぶための焦点合
    わせレンズと、前記試料を移動させるための試料駆動機
    構系と、光束を前記試料に照射する手段と前記光束の前
    記試料の上面での反射光を検出する検出手段を含む高さ
    測定器と、当該高さ計測器による測定結果に基づいて前
    記電子ビームの焦点を調節する手段を備えた走査型電子
    顕微鏡において、 前記試料駆動機構系により前記電子ビームの照射点を観
    察位置への移動を開始した後、前記観察位置を含む複数
    箇所の高さ測定を行い、当該高さ測定で得られる焦点位
    置と、移動前の電子ビーム焦点位置との焦点ずれΔＺを
    前記複数箇所で測定し、前記複数箇所でのΔＺの平均値
    に基づいて前記観察位置の焦点補正を行う手段を備えた
    ことを特徴とする走査型電子顕微鏡。
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