JP3723846B2

JP3723846B2 - 電子ビーム装置

Info

Publication number: JP3723846B2
Application number: JP2002112489A
Authority: JP
Inventors: 重夫岡山; 康嗣岩田
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-04-15
Filing date: 2002-04-15
Publication date: 2005-12-07
Anticipated expiration: 2022-04-15
Also published as: JP2003308801A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は試料表面の形態観察等に利用される一般的な走査電子顕微鏡から、電子ビームによる微細パターン等の描画、加工、電子ビームによる測長、半導体製造プロセスにおける欠陥検出装置に用いることのできる電子ビーム装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
微細な電子ビームをプローブとして、試料上を走査する走査電子顕微鏡SEMは、ナノメートルレベルの分解能を有する形態観察、計測用顕微鏡として、集積回路等の微細パターンの評価・計測から各種産業の製造ラインにおける品質管理等、広範な分野で利用されている。走査電子顕微鏡はその商品化以来、装置の高度化、高性能化が図られてきているが、電子ビーム照射による試料表面のコンタミネーションの問題は解決されていない。特に、高分解能観察時におけるコンタミネーション膜の堆積は二次電子像に影響を与えるため、電子光学系の調整、形態観察、計測時の大きな課題となっている。
【０００３】
コンタミネーションは、残留ガスや電子ビーム照射による試料からのガス放出等が原因となって、電子ビームのエネルギーによりハイドロカーボンを主体として重合・堆積することが、知られている。また、その堆積量は経験的にビーム径の二乗に反比例するため、ビーム径を微細化し、単位面積当たりの電子ビームの照射量が増大する高分解能観察時程、顕著となっている。
このため、試料室の高真空化、オイル蒸気の逆流を低減するためのターボ分子ポンプによる排気、コールドトラップによる試料周辺の残留ガスの吸着等を行っているが、実用的には、試料表面でのガス分子の吸着が問題とならない超高真空状態に試料室を排気することは、ベーキング等の問題から一般的な電子ビーム装置では困難であるため、決定的な改善方法には至っていない。
【０００４】
集積回路、配線等の微細化に伴って、リソグラフィー工程の歩留まりを管理する上で、パターンの欠陥検査、測長、評価は不可欠であり、走査電子顕微鏡技術を応用した欠陥検査装置、測長装置が広く利用されている。特に、微細なスポット電子ビームによるパターン寸法測長では、測定部の多重走査に起因するコンタミネーションによって測長寸法が変動することが大きな問題である。
従来、電子ビームを照射する試料近傍にガスを導入する方法としては、２つの手法が良く知られている。
【０００５】
１つは試料表面近傍にガスを吹き付けるために、注射針のような微細なノズルを試料表面に近付ける方法である。この方法は、腐食性のある塩素系のガスを利用した電子ビームエッチング、有機金属ガスを利用した電子ビームアシストデポジッション（堆積）に利用されている。
試料を希薄なガス雰囲気または、中真空や低真空下に維持するためのもう１つの方法は、試料室と電子光学鏡筒間を複数の絞り構造と排気系による差動排気することで、試料室の真空度を制御するものである。
この手法を利用して、高真空の電子光学鏡筒に対して試料室を低真空または、ガス導入を可能とする低真空型、または環境制御型とよばれる走査電子顕微鏡が開発され、商品化されている。
【０００６】
図３は、従来技術として低真空走査電子顕微鏡装置の例を示したものである。１０１は電子銃である。電子銃としては、輝度が高く、放出エネルギー幅が小さく、高安定なビーム電流を供給することができるショットキー型の熱電界放出電子銃等が利用されている。
電子銃から放出された電子ビーム１０２は磁界型コンデンサーレンズ１０３、１０４、磁界型対物レンズ１０５によって電子源の縮小像であるスポットビーム１０６を試料上に形成し、ビーム偏向器１０７によって試料上の電子ビームを走査し、試料から放出された二次電子、反射電子を検出信号として利用して、試料の形状観察、寸法計測、欠陥検出、組成分析等を行っている。図３では、電子ビームの制御系、二次電子、反射電子像を表示する表示系は、省略してある。
【０００７】
図３において、１０８は非点収差補正レンズ、１０９は二次電子検出器、１１０は反射電子検出器である。１１１は電子ビーム光学系を構成する電子光学鏡筒である。１１２は試料室、１１３は試料、１２０は試料の移動、位置決めのための試料移動機構である。
試料移動機構は用途によりＸＹＺの３軸、さらにＸＹ面の回転、Ｚ軸に対する傾斜調整も可能な５軸移動機構がある。１１７は試料室にガスを導入するための圧力調整弁であるガス導入用リーク弁である。１１８は１１９の導入ガス容器からのガス圧を調整する圧力調整器である。１２５はガスまたは空気を試料室に導入し、低真空圧に維持することを可能にする試料室と高真空に維持する必要がある電子光学鏡筒との間の圧力差を調整するためのオレフィス構造による差動排気系である。１２１、１２２、１２３、１２４は電子光学鏡筒から試料室までを差動排気するための真空排気ポンプである。
【０００８】
低真空型走査電子顕微鏡においては、一般的に利用されているEverhart-Thornleyタイプの二次電子検出器を試料室に組み込むと、試料室の真空度の低下によって、二次電子捕獲用に約10 kV程度の電圧を印加する検出器のシンチレータと試料室電位（グランド）間で放電を引き起こし、信号検出上致命的となる。そのため、シンチレータを利用する検出器を組み込む走査電子顕微鏡では、試料室のガス圧力の上限が規定される。
以上説明したように、コンタミネーションの堆積の問題は、一般的に利用されている電子ビーム装置で起こる特有な問題である。超高真空装置のように残留ガスを出来る限り排除するために、装置の加熱により装置内壁等からのアウトやガス分子の吸着が実質的に問題とならない＜10^-7Pa. に維持された装置でない限り、電子ビーム装置を使用する上で避けて通れない、呪縛的な問題である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
走査電子顕微鏡は、光学顕微鏡に比べて、高分解能で、焦点深度が大きいことが特徴であり、ナノメートルレベルの微細な表面形態の顕微観察にとって不可欠なツールであるが、微細な形状観察、寸法計測では、コンタミネーションの低減は重要な課題である。
【００１０】
電子ビーム照射に伴うコンタミネーション堆積の問題を整理すると、
１．試料近傍の真空環境を左右するハイドロカーボン等の原因となる残留ガスと電子線照射によるコンタミネーションの堆積。
２．測定する試料やその表面等に付着する残渣等からのアウトガスが電子線照射により重合反応を引き起こし、コンタミネーションの堆積膜を形成する。
３．試料室の内壁等から放出される吸着ガスが雰囲気ガスとして、コンタミネーションの要因となる。
４．コンタミネーションによるハイドロカーボンの堆積は、ビーム電流が同じ場合は、ビーム径ｄの二乗の逆数１／ｄ^２に比例することが経験的に知られている。
【００１１】
上記の事実から、電子線照射によるコンタミネーション膜の堆積は、ハイドロカーボン等の残留ガスによる電子ビームアシストデポジッションの一種と理解することができる。コンタミネーションが１／ｄ^２に比例することは、輝度の高い電界放出電子銃、ショットキー電子銃を利用した高分解能走査電子顕では大変重要な課題である。
本発明はこれらの課題に対する有用な手段を提示するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の電子ビーム装置特有のコンタミネーションを低減するために、本発明では、特殊な試料ホルダーおよび試料カバーから構成された電子ビーム装置用の特殊な試料ステージを機能させることにより、試料表面上の非常に薄い層のみを覆うガス層流を形成することによって、電子ビームのガス雰囲気での散乱、試料室全体の真空度を低下させない電子ビーム装置を提供するものである。
【００１３】
本発明では、試料表面をコンタミネーションの要因となりにくい不活性ガス等の雰囲気で被覆し、コンタミネーション膜生成の要因となるハイドロカーボンの原因となる残留ガスを試料表面から排除することで、コンタミネーション膜の堆積を低減することが可能となる。また、試料表面を被覆するガス層が薄いことは、通常の低真空試料室を有する電子ビーム装置におけるような、電子ビームとガス分子との散乱の影響による分解能の低下を抑えることが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る電子ビーム測長装置の実施例について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明による実施例として、走査電子顕微鏡に適用したものである。
１は電子銃である。電子銃から放出された電子ビーム２は磁界型コンデンサーレンズ３、４、磁界型対物レンズ５によって縮小され、スポットビーム６として試料ホルダー１４上に固定した試料１３上に照射される。７は、スポットビーム６を試料上の任意の位置に照射するためのビーム偏向器である。８は非点収差補正レンズ、９は二次電子検出器、１０は反射電子検出器である。１１は電子ビーム光学系を構成する電子光学鏡筒である。
【００１５】
１２は試料室、１３は試料、１４は試料ホルダー、１５は試料カバー、１６はガス導入配管である。１７はガス導入機構用のリーク弁で、ニードルタイプのリーク弁等を利用し、導入するガス流量を制御する。１８は、ガス導入機構に送るガス圧を調整する圧力調整器、１９は導入用ガス容器、２０は試料の位置決めのための試料移動機構である。２１、２２、２３は真空排気ポンプである。真空排気ポンプの台数、ポンプの種類は装置により異なる。
図中の２段ビーム偏向器７では、ビーム照射位置の移動と走査が可能であるが、ビーム位置の移動と走査を別個のビーム偏向器で行うことも可能である（図１に図示せず）。ビーム偏向器は用途により磁界型、電界型の偏向器が利用されている。
試料移動は、用途によりＸＹＺの３軸、さらにＸＹ平面内の回転、Ｚ軸に対する傾斜調整が可能な５軸の試料移動機構が利用可能である。
【００１６】
図２は本発明による試料ホルダー、試料カバー、ガス導入系等から構成される試料ステージの実施例である。本明細書では、図２に示した１４、１５および３０、３６、３７、３８の部品から構成される全体を試料ステージと称する。
図２において、１３は試料、３０は、試料を固定する試料台、１４の試料ホルダーは、試料台３０を固定すると共に、１５の試料カバーとの間に形成する微小間隙３４によって試料表面にガス層を形成する。１５は、電子ビームを試料に照射するためにビーム照射用開口３５以外へのガスの漏洩を保護し、試料ステージで使用する部品等による電界、磁界等が照射する電子ビームに影響を与えないための試料カバーである。１６は、電子ビーム装置外から試料室にガスを導入するためのガス導入配管、３１は、導入するガスを漏洩なくガス導入配管１６から試料ホルダー１４に接続するためのガス導入継手、３２は、ガス導入継手３１から導入されたガスを３３のガス導入溝に送るためのガス導入孔である。３３のガス導入溝は、前記ガス導入孔３２から導入されたガスを等方的に３４の微小間隙にガスを供給するためのものである。３６、３７は試料カバー１５と試料１３および試料ホルダー１４から電気的または熱的に絶縁する場合に使用する絶縁物である。３８は試料の高さ調整用のネジである。また、試料台３０を試料ホルダー１４に固定するためのネジは図２では省略してある。
【００１７】
本実施例には、通常、走査電子顕微鏡で使用されている３軸（X, Y, Z）または５軸の試料移動機構は図示していない。図２のガス導入配管１６は、半導体プロセス等で利用されている配管内面を鏡面仕上げした１／８インチのSUS配管等の利用により、高純度ガスの導入と試料移動機構に取り付けた試料ステージ移動に対応することが可能である。
本発明では、試料ホルダー１４と試料カバー１５との間に数十μm程度の微小間隙３４を設け、その間隙にガスを導入することにより、試料表面を被覆する微小厚のガス層を形成することにより、試料表面にコンタミネーションの原因となるハイドロカーボンの供給を阻止することにより電子ビーム照射によるコンタミネーションを低減することが可能となる。
【００１８】
また、本発明においては、試料室にガスを導入する場合に比べて、配管内、試料ホルダー１４、試料カバー１５等の表面加工と表面処理を鏡面仕上げすることにより、吸着ガス等の影響を低減させ、高純度なガスの導入が可能となり、ハイドロカーボン等の混入を低減させることができる。
本発明で使用するガスの例としては、窒素ガス、ヘリウムガス等の不活性ガスの利用が可能である。また導入されるガスはビーム照射用開口３５から試料室に漏洩し、試料室を排気する真空ポンプにより排気される。
【００１９】
試料表面近傍の真空度は試料室の排気速度とガス導入圧力に依存する。試料室の真空度とガス導入圧力との間の可能な差圧は、微小間隙３４とビーム照射用開口３５の開口径で排気コンダクタンスが決まるため、試料室の圧力低下の許容値により、可能な導入ガス圧が決まり、特段の作動排気システムを必要としない。特に、試料ホルダー１４と試料カバー１５との間の微小間隙３４を数十μm以下にすることにより、試料室の真空度と試料近傍の真空度との差圧は、ビーム照射用の開口径よりも微小間隙３４によるコンダクタンスによる効果が大きく、通常のオレフィスのようにビーム照射用開口３５の開口径で決まる差動排気システムとは異なることが本発明の優位的な特徴である。
【００２０】
本実施例では、試料カバー１５を試料ホルダー１４と電気的に絶縁することにより、試料カバー１５に電圧を印加することにより、二次電子の加速や二次電子の抑制等の制御が可能である。
また、試料カバー１５と他の試料ホルダー１４、試料台３０等と熱的に絶縁し、試料カバー１５を液体窒素温度のコールドフィン等と銅網線等を介して熱的に接続することにより、コンタミネーション低減に効果のあるコールドトラップとして利用することも可能である。
【００２１】
走査電子顕微鏡技術を利用した電子ビームリソグラフィーでは、微細パターン形成に有効な手段を提供することができる。本発明による試料表面上の非常に薄い層のみを覆うガス層流を形成する試料ホルダーと試料カバー等から構成される試料ステージ構造は、Cl₂、XeF₂、I₂等の反応性ガスを利用した電子ビームアシストエッチング加工が可能である。また、W(CO)₆等の有機金属ガス等を利用した電子ビームアシストデポジッション（堆積）にも適用することができる。これらの加工では、試料雰囲気として10^-2 ^〜 ^-3 Pa. のガスを導入すれば良いため、試料室の真空度を大幅に低下させることなく、実現可能である。
【００２２】
図２の実施例では、試料上の試料観察位置は、試料ホルダー１４、試料カバー１５全体を移動しただけでは、ビーム照射用開口径内の移動範囲に限定されるが、試料ホルダー１４に対して試料台を相対的に微動する機構を設けることにより、試料位置の移動の拡大が可能である。さらに、微小間隙を保持したままで、試料カバー１５を試料ホルダー１４に対して移動させる機構を付加することにより、ビーム照射用開口部を移動させ、試料上の観察やビーム加工の範囲を拡大することも可能である。
【００２３】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明を利用することによって、電子ビーム照射によるコンタミネーション形成の原因となるハイドロカーボンの供給を抑制するように、微小厚の高純度なガス層で試料表面を被覆し、コンタミネーション形成を低減する電子ビーム装置を提供することができる。本発明によって、(1) コンタミネーションによる二次電子発生効率の低下による輝度、コントラストの低下、特に、高倍率による微細構造観察時における二次電子像の劣化、(2) 高倍率下での非点収差補正、焦点合わせ操作後の同一視野の低倍率撮影における高倍率観察領域の極端な像質の劣化、(3) 試料上のビーム走査開始点に堆積したコンタミネーションによるアーティファクトの形成、(4) コンタミネーションによる試料寸法変形の影響等、が低減され、高倍率観察、高精度な電子ビーム検査、測長が容易となる。
本発明による改善から、今後ますます発展が見込まれるナノテクノロジー分野から、微細化、高集積化が進む情報処理、エレクトロニクス分野における計測・評価技術の高分解能化、高精度化、高速化に寄与することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す走査電子顕微鏡の構造図である。
【図２】図１に示した実施例における試料、試料ホルダー、試料カバー、ガス導入機構の構造図である。
【図３】従来技術による低真空走査電子顕微鏡の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１電子銃
２電子ビーム
３，４磁界型コンデンサーレンズ
５磁界型対物レンズ
６スポットビーム
７ビーム偏向器
８非点収差補正レンズ
９二次電子検出器
１０反射電子検出器
１１電子光学鏡筒
１２試料室
１３試料
１４試料ホルダー
１５試料カバー
１６ガス導入配管
１７ガス導入機構用リーク弁
１８圧力調整器
１９導入用ガス容器
２０試料移動機構
２１、２２、２３真空排気ポンプ
３０試料台
３１ガス導入継手
３２ガス導入孔
３３ガス導入溝
３４微小間隙
３５ビーム照射用開口
３６，３７絶縁物
３８試料の高さ調整用ネジ
１０１電子銃
１０２電子ビーム
１０３，１０４磁界型コンデンサーレンズ
１０５磁界型対物レンズ
１０６スポットビーム
１０７ビーム偏向器
１０８非点収差補正レンズ
１０９二次電子検出器
１１０反射電子検出器
１１１電子光学鏡筒
１１２試料室
１１３試料
１１７ガス導入機構用リーク弁
１１８ガス圧力調整器
１１９導入用ガス容器
１２０試料移動機構
１２１，１２２，１２３，１２４真空排気ポンプ
１２５差動排気系

Claims

試料室内の試料ステージに保持した試料上の電子ビーム照射位置を移動するための電子ビーム偏向機構および試料移動機構を有する電子ビーム装置において、
前記試料ステージは、試料を固定する試料ホルダーと、電子ビーム照射部に開口を有すると共に、試料表面周辺で前記試料ホルダーとの間に微小な間隙を設けて覆う試料カバーと、前記試料ホルダーと前記試料カバー間の空間にガスを導入する機構とを設けて、
前記試料ホルダーと前記試料カバーの間に設けた前記間隙にガスを導入することによって、試料表面にガス層流を形成し、
前記間隙に導入するガスの圧力または流量および、試料カバーの開口径、試料ホルダーと前記試料カバーの間隙によって、試料室と試料表面のガス圧の差圧を調整し、
前記試料カバーを前記試料ホルダーと電気的に絶縁し、前記試料カバーに電圧を印加することにより、二次電子の制御をすることを特徴とする電子ビーム装置。
前記ガスとして腐食性ガス、或いは有機金属ガスを導入することにより、試料のエッチング、金属化合物の堆積を可能とすることを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム装置。
前記試料カバーを試料ホルダーと熱的に絶縁し、前記カバーを冷却することにより、コンタミネーションを防止するためのコールドトラップとすることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子ビーム装置。