JP3362994B2 - 焦点自動判定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は焦点自動判定方法に係
り、特に電子顕微鏡の自動焦点合せにおいて、その合否
を判定するためのシーケンスに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、電子顕微鏡における自動焦点
合せは、以下のようにして行われていた。 １）電子ビーム走査を、円走査または線走査などに固定
し、対物レンズの励磁を一定量ずつ変化させながら、２
次電子信号を検出し、これを記憶し、 ２）次に、記憶された２次電子信号から隣接画素間での
信号変化量の積分値、あるいは隣接画素間での信号量の
差の絶対値の和のいずれかを求め、 ３）最後に、求められた値が最大となる対物レンズの励
磁条件を求めて、対物レンズに設定する。

【０００３】電子顕微鏡における自動焦点合せは、以上
のようなシーケンスに基づいて行われるが、焦点が合っ
ているか否かの合否判定は、オペレータが目視によって
行っている。

【０００４】図３は、先に述べたような自動焦点合せを
実施した後に、オペレータがこれを合焦点とみなし、引
き続きその状態のままで、観測対象、例えば半導体チッ
プの上に形成されたパターンの寸法測定を行った結果で
ある。ちなみに、この寸法測定は同一のパターンに対し
て実施している。

【０００５】図３からも明らかなように、測定されたパ
ターン寸法の変動量が±０．０１ミクロンｍを超える場
合が存在する。測定条件として、寸法測定場所が同一で
あり、なおかつ自動焦点合せ以外の鏡筒パラメータも同
一で測定しているため、この測定値変動は自動焦点合せ
の状態が最適ではないことによる。

【０００６】そして、正確な測定のためには、自動焦点
合せを実施した後で、その合焦点状態の合否を判定する
必要があるが、先にも述べたように、従来から、この判
定はオペレータが目視によって行っていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、従
来の焦点自動判定方法では、焦点合せの合否判定をオペ
レータの目視に頼る必要があったため、以下に述べるよ
うな問題点がある。

【０００８】半導体チップ上のサブミクロンパターンの
寸法測定においては、装置に起因するばらつきが、パタ
ーンデザイン寸法の１／１００、すなわち０．００５ミ
クロンｍ以下であることが要求される。

【０００９】ところが、寸法測定ばらつきを０．００５
ミクロンｍ以下に抑えるように、自動焦点合せの合否を
目視判定するためには、相当に熟練したオペレータが必
要である。しかし、自動焦点合せの判定をオペレータに
任せる方法は、実際の半導体製造ラインにおいて適用す
るには現実的ではない。

【００１０】つまり、焦点合せの合否判定をオペレータ
の判断にゆだねるやり方には限界があり、自動合否判定
を導入し、もし焦点合せの状態が否状態と判定された場
合は、自動焦点合せをやり直すような方法の開発が大き
な課題となっていた。

【００１１】本発明の目的は、上記のような従来技術の
問題点を解消し、対物レンズの励磁を変化させながら２
次電子信号を検出し、その線積分値のプロファイルデー
タに基づき実施される自動焦点合せに対応して、プロフ
ァイルデータの歪み量を求め、この歪み量に基づいて自
動焦点合せが合焦点状態か非合焦点かを判定することに
より、自動焦点合せの精度を向上させ、電子顕微鏡によ
る寸法測定などの信頼性を大幅に向上すると共に、熟練
したオペレータが不要で作業性の優れた焦点自動判定方
法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、電子顕微鏡の対物レンズの励磁条件毎に
ビーム走査を行い、得られる２次電子信号波形を線積分
することにより、励磁条件の関数としての線積分の値を
示すプロファイルデータを形成する第１のステップと、
前記プロファイルデータのピークに対応する第１の励磁
条件を求める第２のステップと、前記プロファイルデー
タのピーク値に対して、一定の割合の値に対応する励磁
条件を、強励磁側と、弱励磁側でそれぞれ第２の励磁条
件と第３の励磁条件として求める第３のステップと、前
記第２の励磁条件と、前記第３の励磁条件の中点に対応
する励磁条件を第４の励磁条件として求める第４のステ
ップと、前記第１の励磁条件と前記第４の励磁条件との
差分を、ビーム焦点深度に一定の係数を乗じた参照値と
比較し、これよりも小さい場合に、前記第１の励磁条件
を合焦点と判断する第５のステップと、を備え、第１の
励磁条件が励磁可変範囲の両端部分の近傍にきたとき
に、前記第１の励磁条件を新たに励磁可変範囲の中心に
設定して、第１のステップに戻ることを特徴とする焦点
自動判定方法を提供するものである。

【００１３】さらに、本発明は、電子顕微鏡の対物レン
ズの励磁条件毎にビーム走査を行い、得られる２次電子
信号波形を線積分することにより、励磁条件の関数とし
ての線積分の値を示すプロファイルデータを形成する第
１のステップと、前記プロファイルデータのピークに対
応する第１の励磁条件を求める第２のステップと、前記
プロファイルデータのピーク値に対して、一定の割合の
値に対応する励磁条件を、強励磁側と、弱励磁側でそれ
ぞれ第２の励磁条件と第３の励磁条件として求める第３
のステップと、前記第２の励磁条件と、前記第３の励磁
条件の中点に対応する励磁条件を第４の励磁条件として
求める第４のステップと、前記第１の励磁条件と前記第
４の励磁条件との差分を、ビーム焦点深度に一定の係数
を乗じた参照値と比較し、これよりも小さい場合に、前
記第１の励磁条件を合焦点と判断する第５のステップ
と、を備え、前記第５のステップにおいて、前記差分
が、前記参照値よりも大きい場合、非合焦点と判断し
て、先に得た最大値の励磁条件を励磁可変範囲の中心に
設定して、第１のステップに戻ることを特徴とする焦点
自動判定方法を提供するものである。さらに、本発明
は、電子顕微鏡の対物レンズの励磁条件毎にビーム走査
を行い、得られる２次電子信号波形を線積分することに
より、励磁条件の関数としての線積分の値を示すプロフ
ァイルデータを形成する第１の段階と、前記プロファイ
ルデータの半値幅を求める第２の段階と、前記第２の段
階で得られた半値幅が前記対物レンズの励磁可変範囲の
１／２以下である場合を合焦点と判定する第３の段階
と、を備え、前記第１の段階と第２の段階の間に、前記
プロファイルデータのＳ／Ｎ比が所定値よりも低いかど
うかを判断し、低い場合に、走査の速度を下げ、走査の
本数を上げて、第１の段階に戻り、さらに、前記プロフ
ァイルデータのピークに対応する第１の励磁条件を求
め、この第１の励磁条件が励磁可変範囲の両端部分の近
傍にきたときに、前記第１の励磁条件を新たに励磁可変
範囲の中心に設定して、前記第１の段階に戻ることを特
徴とする焦点自動判定方法を提供するものである。

【００１４】

【作用】本発明の第１の焦点自動判定方法では、第１の
ステップで得られたプロファイルデータのピークに対応
させて、第２のステップで求めた第１の励磁条件を、第
３のステップで求めた第２、第３の励磁条件の中点に対
応する励磁条件、つまり第４のステップで求めた第４の
励磁条件と比較することにより、第１のステップで得ら
れたプロファイルデータの強励磁側と弱励磁側の対称性
が良い場合は、合焦点状態と判断しており、このため
に、第５のステップにおいて、第１の励磁条件と第４の
励磁条件との差分を、ビーム焦点深度に一定の係数を乗
じた参照値と比較している。

【００１５】本発明の第２の記載の焦点自動判定方法で
は、第１の段階で得られたプロファイルデータのピーク
に対応させて、第２の段階では、プロファイルデータの
半値幅を求め、第３の段階で、この半値幅が対物レンズ
の励磁可変範囲の１／２以上に相当する場合、非合焦点
と判定している。

【００１６】

【実施例】以下、図面を参照しながら、本発明の実施例
を説明する。 実施例１．図１は、本発明の焦点自動判定方法の実施例
１を説明するためのシーケンス図である。

【００１７】まず、電子顕微鏡の電子ビームの走査速度
を通常の８ｋＨｚから、自動焦点合せ用の１ｋＨｚに設
定する（ステップＳ１）。

【００１８】次に、対物レンズの励磁条件を逐次設定
（５１２条件）しながら（ステップＳ２）、各励磁条件
で４回ずつ走査する（ステップＳ３）。この場合、１走
査当たり５１２サンプリングを実施する。

【００１９】同時に、各走査毎に得られる２次電子信号
を検出し、４回走査分のデータを加算平均処理し、電源
周波数ノイズを除去してＳ／Ｎ向上を行う（ステップＳ
４）。

【００２０】引き続き、加算平均処理したデータに対し
て、移動平均処理を実行し、更なるＳ／Ｎ向上を行う
（ステップＳ５）。

【００２１】次に、各励磁条件毎に移動平均処理したデ
ータに対して、７点の平滑化微分処理を行い、得られた
微係数値の絶対値の和、つまり線積分値を求める（ステ
ップＳ６）。

【００２２】以上のようにして得られる積分値と対物レ
ンズの励磁条件の関係から構成されるプロファイルは、
図２に示すようになる。このプロファイルの最大値、つ
まりピークに相当する対物レンズの励磁条件を求め、こ
の励磁条件を対物レンズに設定する（ステップＳ７）。

【００２３】次に、ステップＳ７で得られた積分値プロ
ファイルデータのＳ／Ｎ比が３よりも小さいか否かにつ
いて判断する（ステップＳ８）。

【００２４】小さい場合（Ｙｅｓ）には、操作速度を
０．５ｋＨｚに落とし、励磁条件の操作本数を８操作本
数に上げて（ステップＳ９）、ステップＳ１に戻る。従
って、ステップＳ１，Ｓ３においては、その数値は変更
される。

【００２５】大きい場合（Ｎｏ）には、次のステップＳ
１０に移る。このステップＳ１０においては、線積分の
最大値で示される励磁条件が励磁可変範囲の２５％以下
の領域か、あるいは７５％以上の領域に存在するか否か
について判断する。

【００２６】存在している場合（Ｙｅｓ）には、最大値
で示される励磁条件を励磁可変範囲の中心に設定し直し
て、ステップＳ１に戻る。

【００２７】存在していない場合（Ｎｏ）には次のステ
ップＳ１２に移る。このステップＳ１２においては、線
積分の最大値の励磁条件と、しきい値から求めた励磁条
件の中心との差が、焦点深度から求めた基準値以上かど
うかを判断する。

【００２８】基準値以上の場合（Ｙｅｓ）には、ステッ
プＳ１１に戻る。

【００２９】基準値以下の場合（Ｎｏ）には、ステップ
Ｓ１３に移る。このステップＳ１３においては、先に求
めた線積分の最大値を適正なものと判断し、対物レンズ
に設定する。

【００３０】次に、図１のステップＳ１２で実行される
合焦点状態か否かを判断する手順について説明する。

【００３１】図２に示すようなプロファイルに対して、
ピークに相当する対物レンズの励磁条件（ｐ）点つまり
フォーカス設定値、およびピーク値の１／２の値（５０
％）の対物レンズの励磁条件を求める。図２において、
励磁可変範囲はＡとＢの間として示される。なお、ピー
ク値の１／２の値としては、対物レンズの強励磁側と弱
励磁側がそれぞれ１つずつ存在するが、その両方をそれ
ぞれ（ａ）点、（ｂ）点として求める。

【００３２】次に、（ａ）点と（ｂ）点の中点に相当す
る対物レンズの励磁条件（ｃ）点を求める。

【００３３】そして、ピークに相当する（ｐ）点と、中
点に相当する（ｃ）点の差ｄｆを ｄｆ＝｜ｐ−ｃ｜ （１） として求める。

【００３４】プロファイルは理想的には対称な形状を示
し、完全な対称形の場合は、 ｄｆ＝０ （２） である。

【００３５】そして、（２）式が成立する場合、つまり
（ａ）点と（ｂ）点の中点である（ｃ）点と、（ｐ）点
が略一値する場合、焦点が合っているといえる。

【００３６】これに対して、プロファイルが対称形状が
外れた場合、非合焦点状態といえる。このように、プロ
ファイルが非対称となるのは、以下のような理由による
ものと考えられる。 ａ）プロファイルに一定周期のノイズ（電源周期による
ノイズ）が混入する。 ｂ）自動焦点合せ用ビーム走査を実行中に、例えば試料
構造に起因したチャージアップが発生する。 ｃ）場合によっては、対物レンズのヒステリシスの影響
が混入する。

【００３７】このようなプロファイルの非対称状態が、
ある一定の量を超えた場合には、例えば、図３に示すよ
うに、寸法測定のばらつきが大きくなる。

【００３８】したがって、ｄｆ値が一定の大きさ以上の
場合、非合焦点状態と判定する。

【００３９】そして、非合焦点状態と判定された場合、
ステップＳ１１に戻り、焦点合せのシーケンスを再度実
行する。

【００４０】実際に、ｄｆ値の適否を判定する方法とし
ては、ビーム焦点深度の値に、一定の係数を乗じた値と
比較し、これよりも大きければ非合焦点とし、この範囲
に入っていれば合焦点と判定する。この場合に用いる係
数は、パターン構造、倍率などにより変化するが、ビー
ム焦点深度に乗じる値として１．０〜５．０の値を用い
るのが望ましい。一般には、焦点深度が浅い程、この係
数として小さなものを用いる。１ミクロンｍ程度の短焦
点のものにあってはこの係数として２ミクロンｍ以下の
値がよく、２〜３ミクロンｍの通常の焦点のものによっ
てはこの係数は４程度がよい。また、パターン構造が、
半導体ウエーハにおけるＡｌ上のレジストパターンで、
倍率が３０ｋ倍の場合、ビーム焦点深度に乗じる係数と
しては、３．０を採用するのがよい。

【００４１】以上のようにして、半導体ウエーハ上のミ
クロンメータレベルのパターン寸法を有するレジストラ
インパターンの測定において、自動焦点合せの成功率
を、従来方法による９６．７％（成功回数５８回／実行
回数６０）から、本発明では１００％（成功回数９０回
／実行回数９０）にまで、飛躍的に高めることが可能に
なった。ちなみに、この場合の焦点合せ成功の判定は、
自動焦点合せの実行後の寸法測定のばらつきが、パター
ンデザイン寸法の１／１００、すなわち０．０１ミクロ
ンメータ以下の場合とした。

【００４２】以上のように、従来のように焦点合せの合
否判定をオペレータの目視による判定に頼った場合、６
０回の試行に対して、２回は焦点合せの不適切なものを
合焦点と判断してしまうのに対して、本発明のように、
自動焦点合せの実施後に、その焦点合せの合否を自動判
定し、非合焦点と判定された場合に、自動焦点合せを再
度実行するようにすることで、９０回の試行で、１００
％の合焦点状態を得ることができた。

【００４３】なお、上記実施例１では図２のプロファイ
ルデータにおいて、そのピークに対応する強励磁側の
（ａ）点と、弱励磁側の（ｂ）点を、ピーク値の５０％
に相当する点として求める場合を例示したが、この割合
は、ピーク値の２０％〜８０％程度の範囲で適宜設定可
能なものであり、経験的な要素、電子顕微鏡の対物レン
ズの特性、など各種の要件を勘案しながら適宜決定して
よい。

【００４４】また、ビーム焦点深度に乗じる係数として
も、実施例１では、１．０〜５．０の範囲を例示した
が、これも経験的な要素、各種要件によっては、これ以
外の係数が用いられることもあり得る。 実施例２．なお、上記実施例では、プロファイルデータ
から、ピーク値を与える励磁条件と、ピーク値に対して
一定の割合の値を与える励磁条件を求め、これらの関係
から、焦点自動判定する方法を説明したが、プロファイ
ルデータの半値幅を求め、この半値幅が電子顕微鏡の対
物レンズの励磁可変範囲の１／２以内の場合に合焦点と
判定し、それ以上の場合を非合焦点と判定するようにし
ても、同様の効果を得ることができる。この場合におい
て、プロファイルデータを求める段階と合焦点か否かを
判定する段階との間に、図１に示すステップＳ８とステ
ップＳ１０と同様のステップを存在させることができ
る。即ち、ステップ８と同様に、線積分プロファイルデ
ータのＳ／Ｎ比が３以下かどうかを判断する。以下であ
るときには、ステップＳ９と同様に、走査速度を０．５
ｋＨｚに落とし、走査本数を８操作本数として再度プロ
フィルデータをとり直す。以上のときには、線積分最大
値が励磁可変範囲の２５％以下の領域か、あるいは７５
％以上の領域のいずれかにあるか否かを判断する。上記
２つの領域のいずれかに存するときには、ステップＳ１
１と同様に、最大値の励磁条件を励磁可能範囲の中心に
設定し直して、再度プロファイルデータをとり直す。存
しないときには、前述の半値幅に基づく合焦点の判断を
行う。

【００４５】また、上記各実施例では、プロファイルデ
ータのピーク値を中心とした励磁条件の対称性に基づい
て自動焦点合せの判定を行うシーケンスを説明したが、
原理的には、合焦点の場合にプロファイルデータの歪み
量が少ないことを基本としており、プロファイルデータ
の歪み量や対称性の判定ができれば、他のあらゆる数学
的手法が適用可能であることは言うまでもない。

【００４６】

【発明の効果】以上の述べたように、本発明の焦点自動
判定方法は、自動焦点合せの実施後に、得られたプロフ
ァイルの状態から合焦点判定を自動的に行い、非合焦点
と判定された場合に再度自動焦点合せを実行するように
構成したので、電子顕微鏡などで、その自動焦点合せの
信頼性を飛躍的に高めることが可能となり、電子顕微鏡
を用いた半導体ステップにおけるパターン寸法測定など
の精度を向上でき、ラインの効率や生産性を大幅に向上
できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の焦点自動判定方法の実施例を説明する
シーケンス図である。

【図２】図１の焦点自動判定方法を説明するためのプロ
ファイル図である。

【図３】一般的な自動焦点合せの実施後に、半導体チッ
プの上に形成されたパターンの寸法測定を行った結果の
説明図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−290780（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−89687（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−31364（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−237939（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−297854（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−231251（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−193451（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−46745（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−46746（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 37/21

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電子顕微鏡の対物レンズの励磁条件毎にビ
   ーム走査を行い、得られる２次電子信号波形を線積分す
   ることにより、励磁条件の関数としての線積分の値を示
   すプロファイルデータを形成する第１のステップと、 前記プロファイルデータのピークに対応する第１の励磁
   条件を求める第２のステップと、 前記プロファイルデータのピーク値に対して、一定の割
   合の値に対応する励磁条件を、強励磁側と、弱励磁側で
   それぞれ第２の励磁条件と第３の励磁条件として求める
   第３のステップと、 前記第２の励磁条件と、前記第３の励磁条件の中点に対
   応する励磁条件を第４の励磁条件として求める第４のス
   テップと、 前記第１の励磁条件と前記第４の励磁条件との差分を、
   ビーム焦点深度に一定の係数を乗じた参照値と比較し、
   これよりも小さい場合に、前記第１の励磁条件を合焦点
   と判断する第５のステップと、 を備え、 第１の励磁条件が励磁可変範囲の両端部分の近傍にきた
   ときに、前記第１の励磁条件を新たに励磁可変範囲の中
   心に設定して、第１のステップに戻ることを特徴とする
   焦点自動判定方法。
2. 【請求項２】電子顕微鏡の対物レンズの励磁条件毎にビ
   ーム走査を行い、得られる２次電子信号波形を線積分す
   ることにより、励磁条件の関数としての線積分の値を示
   すプロファイルデータを形成する第１のステップと、 前記プロファイルデータのピークに対応する第１の励磁
   条件を求める第２のステップと、 前記プロファイルデータのピーク値に対して、一定の割
   合の値に対応する励磁条件を、強励磁側と、弱励磁側で
   それぞれ第２の励磁条件と第３の励磁条件として求める
   第３のステップと、 前記第２の励磁条件と、前記第３の励磁条件の中点に対
   応する励磁条件を第４の励磁条件として求める第４のス
   テップと、 前記第１の励磁条件と前記第４の励磁条件との差分を、
   ビーム焦点深度に一定の係数を乗じた参照値と比較し、
   これよりも小さい場合に、前記第１の励磁条件を合焦点
   と判断する第５のステップと、 を備え、 前記第５のステップにおいて、前記差分が、前記参照値
   よりも大きい場合、非合焦点と判断して、先に得た最大
   値の励磁条件を励磁可変範囲の中心に設定して、第１の
   ステップに戻ることを特徴とする焦点自動判定方法。
3. 【請求項３】前記第１のステップにおいて、対物レンズ
   の励磁条件の設定、ビーム走査、２次電子信号の取り込
   みを行う手順が含まれる、請求項１又は２の焦点自動判
   定方法。
4. 【請求項４】得られる前記プロファイルデータのＳ／Ｎ
   比が低い場合に、走査の速度を下げ、走査の本数を上げ
   て、第１のステップに戻る、請求項１〜３の１つの焦点
   自動判定方法。
5. 【請求項５】前記第３のステップにおいて、一定の割合
   として、２０％〜８０％の範囲の割合を用いる、請求項
   １〜４の１つの焦点自動判定方法。
6. 【請求項６】前記第５のステップにおいて、一定の係数
   として、焦点深度が浅い程小さい値を用いる、請求項１
   〜５の１つの焦点自動判定方法。
7. 【請求項７】前記第５のステップにおいて、一定の係数
   として１．０〜５．０の値を用いる、請求項１又は２の
   焦点自動判定方法。
8. 【請求項８】電子顕微鏡の対物レンズの励磁条件毎にビ
   ーム走査を行い、得られる２次電子信号波形を線積分す
   ることにより、励磁条件の関数としての線積分の値を示
   すプロファイルデータを形成する第１の段階と、 前記プロファイルデータの半値幅を求める第２の段階
   と、 前記第２の段階で得られた半値幅が前記対物レンズの励
   磁可変範囲の１／２以下である場合を合焦点と判定する
   第３の段階と、 を備え、 前記第１の段階と第２の段階の間に、前記プロファイル
   データのＳ／Ｎ比が所定値よりも低いかどうかを判断
   し、低い場合に、走査の速度を下げ、走査の本数を上げ
   て、第１の段階に戻り、 さらに、前記プロファイルデータのピークに対応する第
   １の励磁条件を求め、この第１の励磁条件が励磁可変範
   囲の両端部分の近傍にきたときに、前記第１の励磁条件
   を新たに励磁可変範囲の中心に設定して、前記第１の段
   階に戻ることを特徴とする焦点自動判定方法。