JP3430788B2 - 試料像測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は試料の形状観察或い
は寸法測定に用いられる走査型電子顕微鏡（外観観察・
測長ＳＥＭ）やレーザ走査顕微鏡，走査型原子力間顕微
鏡（ＡＦＭ），レーザフォーカス顕微鏡（ＬＦＭ）など
の走査プローブを用いて画像形成および寸法測定を行う
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】代表的な応用分野である半導体製造に例
を採って説明する。

【０００３】半導体製造においては、ウェハ上に加工し
たパターンの形状観察や寸法測定に、外観観察・測長Ｓ
ＥＭが広く用いられている。外観観察・測長ＳＥＭは、
走査プローブとして電子ビームを用いる。以下、外観観
察・測長ＳＥＭを例として、本発明の詳細を述べる。

【０００４】図１は、外観観察・測長ＳＥＭの基本的な
原理と構成を示すものである。電子銃１から放出された
電子ビーム２は、収束レンズ３および対物レンズ４によ
って細く絞られ・ウェハ５面上に焦点を結ぶ。同時に、
電子ビーム２は、偏向器６ａ，６ｂによって軌道を曲げ
られ、電子ビーム光軸を偏向の中心として、ウェハ５面
上を二次元或いは一次元走査する。一方、電子ビーム２
で照射されたウェハ部分からは二次電子７が放出され
る。これ等の二次電子７は、二次電子検出器８によって
検出・電気信号に変換された後、増幅などの処理を受け
る。処理後の電気信号は、ディスプレイ９を変調するた
めに使われる。ディスプレイ９は、電子ビーム２のウェ
ハ面上走査と同期して、走査されている。電子ビームお
よびディスプレイを二次元走査し、ディスプレイに輝度
変調をかければ、ディスプレイ上にＳＥＭ像が形成され
る。このＳＥＭ像を予め登録されている参照像と比較す
れば、パターンの形状検査が行える。一方、Ｘ方向に一
次元走査し、ディスプレイにＹ変調をかければ、ディス
プレイ上にラインプロファイルが表示される。このライ
ンプロファイルからパターン寸法が求められる。

【０００５】外観観察・測長ＳＥＭを用いての測定手順
は、パターン形状を検査する場合も、パターン寸法を測
定する場合も、基本的には同じである。以下、パターン
寸法測定を例として説明する。

【０００６】ウェハカセット１０から取り出された被測
定ウェハの一枚５は、ウェハのオリエンテーションフラ
ット或いはノッチなどを基準として、プリアライメント
される。プリアライメント後、ウェハ上に形成されたウ
ェハ番号が、図外のウェハ番号読み取り器によって読み
込まれる。ウェハ番号は各ウェハに固有のものであり、
読み込まれたウェハ番号をキーとして、予め登録されて
いる。このウェハに対応したレシピが読み出される。レ
シピは、このウェハの測定手順・測定条件を定めたもの
であり、以降の操作は全て、このレシピに従って自動的
或いは半自動的に行われる。ウェハ番号が読み込まれた
後、ウェハは真空に保持された試料室１１内のＸＹ−ス
テージ１２上に搬送・搭載される。ＸＹ−ステージ１２
上に装填されたウェハ５は、試料室１１の上面壁に装着
された光学顕微鏡１３を用い、アライメントされる。ア
ライメントには、ウェハ５上に形成されたアライメント
パターンを用いる。数百倍程度に拡大されたアライメン
トパターンの光学顕微鏡像を予め登録されている参照画
像と比較し、光学顕微鏡像の視野が参照画像の視野と丁
度重なるように、アライメントパターンの位置すなわち
ステージ位置座標を補正する。アライメント後、被測定
ウェハ５は所定の測長点にステージ移動される。測長点
では、走査電子ビームが照射され、高倍率のＳＥＭ像が
形成される。このＳＥＭ像を用いて、ウェハ上に形成さ
れた被測定パターンの精密な焦点合わせと高精度な位置
決めが行われる。焦点合わせは、ＳＥＭ像の最大コント
ラストが得られるように、ウェハ高さ或いは対物レンズ
励磁電流値を決めることによって行われる。位置決めに
は、アライメント操作と同様の手法を用いる。測長点の
ＳＥＭ像を予め登録されている参照用画像と比較し、Ｓ
ＥＭ像視野が参照用画像の視野と合致するように、電子
ビーム走査領域を微調整する。位置決めされたウェハ
は、被測定パターンがほぼ画面中央すなわち電子ビーム
直下に位置する。この状態で、電子ビームが被測定パタ
ーン上を一次元走査し、得られたラインプロファイルか
らパターン寸法が求められる。ウェハ上に複数の測長点
が有る場合には、測長点移動後の操作が繰返し行われ
る。

【０００７】ウェハカセット内に複数の被測定ウェハが
ある場合には、ウェハ毎に、ＸＹ−ステージ搬送以降の
操作が繰返し行われる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】パターン幅の測長値
は、電子ビームの走査幅或いは偏向角度に対応して決め
られる。従って、測定すべき試料面すなわち試料面上に
形成されたパターン面と電子ビームの光軸が直交してい
ない場合、図２に示すように、測定された寸法値が実寸
法とは異なることになる。

【０００９】この現象はウェハの反りや平坦度が悪いこ
と、電子ビーム鏡筒とＸＹ−ステージの加工・組立て精
度が悪いこと等によって引き起こされる。結果として、
測長値の実寸法との差異は数ｎｍになる。パターン微細
化の進展とともに、この誤差は無視できないものになり
つつある。

【００１０】パターン形状を参照像と比較する場合につ
いても同様の問題が派生する。測定すべき試料面すなわ
ち試料面上に形成されたパターン面と電子ビームの光軸
が直交していない場合、試料像は少しずつ異なったもの
となる。このような試料像の差異は、形状検査時の誤検
出要因となる。

【００１１】本発明は上述した如き問題を解決し、試料
の測定面と電子ビームが直交していないときに起こり得
る種々の弊害を解消した試料像測定装置の提供を目的と
する。

【００１２】

【課題を解決するための手段】測定すべきパターン面と
電子ビーム光軸との直交度ずれを検知するための手段
と、該検知結果に基づいてパターン面と電子ビーム光軸
とを直交させるための直交度補正手段を持つ。このよう
な手段を働かせることによって、パターン面と電子ビー
ムの光軸を常に直交状態に保つことができる。これによ
り、高い精度での寸法測定や誤検出の少ない形状検査が
可能となる。

【００１３】

【発明の実施の形態】試料面と電子ビーム光軸との直交
度のずれを検知するための手段としては、次のような方
法がある。

【００１４】図３に示すように、細く絞ったレーザ光１
４を斜め上方から測定パターン面に照射し、測定面から
の反射光１５を位置センサ（例えば同心円環状の分割セ
ンサなど）１６で検出する。中央に位置する分割センサ
の出力信号は、電子ビームが試料面に垂直入射する時に
最大となるように、予め設定されている。後で述べる補
正手段は、中央に位置する分割センサの出力信号が最大
となるように制御される。

【００１５】この制御は例えば同心円環状分割センサを
用いる場合、分割センサの中央で最大出力信号を発生さ
せ、中心から外れるに従って弱い出力信号を出力するよ
うに設定すれば、反射光１５が中心に近づくに従って出
力信号が強くなるので、補正のための方向付けが容易に
なる。

【００１６】また、例えば図４に示すように、測定点の
周辺に配置された複数個（３個以上が適当）のウェハ高
さ検出器（例えば静電容量センサなど）１７を用いて直
交度を検出してもよい。各センサの出力信号は、電子ビ
ームが試料面に垂直入射する時に等しい値となるよう
に、予め設定されている。補正手段は、各静電容量セン
サの出力が等しくなるように制御される。

【００１７】上記検知結果に基づいて試料面とプローブ
光軸とを直交させるための制御手段の直交度を補正する
手段としては、次のようなものがある。

【００１８】図５に示すように、ウェハホルダ１８を３
点で支え、１点を固定とする。前述の直交度検知結果に
基づいて、残り２点の高さを圧電アクチュエータなどを
用いて上下動し、ウェハの傾きが電子ビーム光軸と直交
するように補正を加える。このような試料の移動機構を
用いる以外に以下の手段を用いても良い。

【００１９】電子ビームの偏向は、一般的に、対物レン
ズ前段に設けられた２段の偏向器６ａと６ｂを用いて行
われる。電子ビームが、偏向幅の大小に依らず、常に対
物レンズ中心を通るようにするためである。直交度検知
結果に基づいて、偏向器駆動信号に補正信号を重畳し、
電子ビームの入射角を変えることによって直交度を補正
する。

【００２０】また直交度補正手段はウェハを搭載するス
テージ面をピエゾ素子アレーで構成しても良い。ウェハ
の傾きを補正するように個々のピエゾ素子を制御する。

【００２１】また、次のような方法を用いれば、直交度
の検出と補正を同時に行うことも可能である。電子ビー
ムの入射角を振りながら各入射角でのパターン寸法を測
定し、測定値の中からその最小値を求め、測長値とす
る。

【００２２】或いは、最小値を求める代りに、ラインプ
ロファイルのエッジコントラストが左右対称となる所で
測長値を求めても良い。また、エッジコントラストを予
め登録されていたラインプロファイルと比較し、形状が
最も良く一致する所で測長値を求めても良い。

【００２３】或いは、試料面に対するプローブの入射角
を変化させながら各入射角での試料像を比較し、試料像
の形状が所定の形状と最も良く一致する所で測長値を求
めたり、試料像を形成してもよい。

【００２４】上述した３例の場合、電子ビームの代りに
試料傾斜角を変化させることによって入射角を振るよう
にすることも可能である。

【００２５】ここでは、プローブとして電子ビームを用
いたが、プローブは光ビーム或いはイオンビームのよう
なエネルギービームの他、メカニカルプローブのような
ものであっても構わない。ウェハは、半導体ウェハの
他、撮像デバイスや表示デバイス用のウェハであっても
良い。

【００２６】更に本発明では以下のような手段を用いる
ことによってより高い測定精度を得ることができる。

【００２７】それはウェハの試料移動機構の動作によっ
て得られる情報も、直交度補正に活用するというもので
ある。

【００２８】図３に示した構成を用いて説明すると、試
料（ウェハ５）の移動機構が出力する試料の高さや傾斜
に基づく信号を含めてレーザー光１４の反射方向を特定
する。これは試料移動機構が出力する信号情報は、少な
くとも試料の高さと傾斜の情報を含んでいるため、図６
（ｂ）の例のように、同じ箇所で反射光を検出するよう
な場合、それが如何なる要因に基づくものかの特定が容
易になる。

【００２９】この発明の他の実施例を以下に示す。

【００３０】レーザー光を照射し、ウェハの傾きをより
正確に検出するためには図６（ａ）に示すようにレーザ
ー光をウェハ面に垂直に入射する。斜めに入射すると、
図６（ｂ）に示すようにウェハの高さの違いによる検出
誤差が現れるからである。

【００３１】垂直入射を実現する場合には電子顕微鏡の
場合、対物レンズの電子線通過孔を通してレーザー光を
入射し、逆経路で反射光を検出する。

【００３２】この具体的手段として、対物レンズの電子
線通過孔に沿って光学検出器を配置することが考えられ
る。

【００３３】このような構成では上記光学検出器に反射
光が検出されるときは試料面が傾斜していることにな
り、試料面を電子線と直交させるためには光学検出器で
反射光を検出しないような状態に制御すればよい。

【００３４】また、図３に示した同心円環状分割センサ
を用いれば、傾きの制御が容易になる。

【００３５】この場合、同心円環状分割センサは中央に
穴のあいたドーナツ上にする必要がある。このような形
状のセンサを対物レンズ下に配置することによって、電
子線の照射を妨げることなくレーザー光をウェハ面に垂
直に入射することによる直交度の補正が可能となる。

【００３６】この際、レーザー光源はウェハ表面から見
て電子源の方向の近傍に配置するか、直交度の補正時に
機械的な移動手段によって、ウェハ面の垂直方向に現れ
るようにしても良い。或いは反射ミラーを使用し、ウェ
ハ面入射直前にレーザー光線を垂直入射に切り替えても
良い。

【００３７】尚、試料は、ウェハ以外の形状であっても
構わない。

【００３８】

【発明の効果】微細パターンなど試料寸法の測定におい
て、測長精度の向上が実現できる。

【００３９】パターン形状の検査において、誤検出を低
減でき、高い感度での差異検出を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】外観観察・測長ＳＥＭの原理説明図。

【図２】測定すべきパターン面と電子ビームの光軸が直
交していない場合、測定された寸法値が実寸法とは異な
ることを示すための図。

【図３】測定すべきパターン面と電子ビーム光軸との直
交度ずれを検知するための一手段を示す図。

【図４】測定すべきパターン面と電子ビーム光軸との直
交度ずれを検知するための一手段を示す図。

【図５】試料面とプローブ光軸とを直交させるための一
補正手段を示す図。

【図６】本発明実施例の他の直交度補正の説明図。

【符号の説明】

１…電子銃、２…電子ビーム、３…収束レンズ、４…対
物レンズ、５…ウェハ、６…偏向コイル、７…二次電
子、８…二次電子検出器、９…ディスプレイ、１０…ウ
ェハカセット、１１…試料室、１２…ＸＹ−ステージ、
１３…光学顕微鏡、１４…レーザー光、１５…反射光、
１６…位置センサ、１７…ウェハ高さ検出器、１８…ウ
ェハホルダ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｊ 37/22 ５０２ Ｈ０１Ｊ 37/22 ５０２Ｌ // Ｈ０１Ｌ 21/66 Ｈ０１Ｌ 21/66 Ｊ (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 37/20 G01B 11/00

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】対象試料の特徴を、該対象試料にエネルギ
   ービームを照射することによって得られる試料からの反
   応に基づいて抽出する試料像測定装置において、前記対
   象試料面と前記エネルギービームの直交度の違いを検知
   する手段と、該検知手段によって得られる検知結果に基
   づいて、前記対象試料面とエネルギービームを直交させ
   る制御手段を備え、当該制御手段は、前記エネルギービ
   ームを傾斜させる傾斜手段を備えたことを特徴とする試
   料像測定装置。
2. 【請求項２】前記直交度の違いを検知する手段は、前記
   対象試料に対し、光線を照射する手段と、該試料からの
   反射光の反射位置を特定する手段を備えたことを特徴と
   する請求項１に記載の試料像測定装置。
3. 【請求項３】前記直交度の違いを検知する手段は、前記
   エネルギービームの光軸の近傍に複数個配置されたウェ
   ハ高さ検出手段を備えたことを特徴とする請求項１に記
   載の試料像測定装置。
4. 【請求項４】前記制御手段は試料のレベリング機能を備
   えたことを特徴とする請求項１に記載の試料像測定装
   置。
5. 【請求項５】 前記制御手段は、前記対象試料に対する前
   記エネルギービームの入射角を変化させ、複数の入射角
   で前記対象試料のパターン寸法を検出する手段と、前記
   入射角の内、前記パターン寸法が最小となる入射角をも
   って前記対象試料の特徴を得る手段を備えたことを特徴
   とする請求項１に記載の試料像測定装置。
6. 【請求項６】 前記制御手段は、前記対象試料に対する前
   記エネルギービームの入射角を変化させつつ、複数の入
   射角で前記対象試料のラインプロファイルを比較し、ラ
   インプロファイルのエッジコントラストが対象となる箇
   所、或いは所定の形状となる箇所で前記対象試料の特徴
   を得る手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の
   試料像測定装置。