JP4383985B2 - ビーム照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子ビーム若しくは光ビーム等のビームを被ビーム照射物に照射した際に、被ビーム照射物からのビームを検出する検出器を備えたビーム照射装置に関する。

電子ビームを被描画材料上の所定箇所に照射して被描画材料上にパターンを描く電子ビーム描画装置装置や、試料上の所定領域を電子ビームで走査し、試料からの、例えば、二次電子に基づいて走査領域の二次電子像を表示する走査型電子顕微鏡等、荷電粒子ビームを被ビーム照射物の所定箇所に照射する装置を荷電粒子ビーム装置と称する。一方、レーザービーム等の光ビームを被描画材料上の所定箇所に照射して被描画材料上にパターンを描く光ビーム描画装置や、試料上の所定領域をレーザービーム等の光ビームで走査し、試料からの、例えば、反射光に基づいて走査領域の反射像を表示するレーザー顕微鏡等、光ビームを被ビーム照射物の所定箇所に照射する装置を光ビーム装置と称する。そして、これら、荷電粒子ビーム装置や光ビーム装置等をビーム照射装置と称する。

さて、この様なビーム照射装置は、被ビーム照射物からのビームを検出する検出器を備えており、この検出器からのビーム信号に基づいて、被ビーム照射物の像を表示したり、或いは、被ビーム照射物に照射されるビームの径等のビーム情報等を得ている。

次に、被ビーム照射物の像を表示する装置例と、被ビーム照射物に照射されるビームの径等のビーム情報を得る例を簡単に説明する。

図１は、走査型電子顕微鏡の一概略例を示したものである。

図中１は電子銃、２はコンデンサレンズ、３は対物レンズで、電子銃１からの電子ビームはコンデンサレンズ２と対物レンズ３によって試料４上に集束される様に成っている。

コンデンサレンズ２と対物レンズ３の間には、Ｘ方向偏向器５ＸとＹ方向偏向器５Ｙが設けられており、電子銃１からの電子ビームはこれらの偏向器によって試料４上を二次元的に走査するように成っている。６はこれらの偏向器に走査信号を供給するための走査信号発生器である。

７は試料４からの二次電子を検出するための二次電子検出器である。

８は中央制御装置で、ＤＡ変換器９を介して前記走査信号発生器６に走査指令を送ったり、ＡＤ変換器１０を介して送られて来た前記二次電子検出器７からの二次電子信号をメモリ１１に記憶させたり、該二次電子信号に基づいて、例えば、陰極線管或いは液晶表示装置の如き表示装置１２に二次電子像を表示させたりする。

この様な構成の装置において、電子銃１からの電子ビームはコンデンサレンズ２と対物レンズ３によって試料４上に集束される。一方、走査信号発生器7からの走査信号は、Ｘ方向偏向器５Ｘ，Ｙ方向偏向器５Ｙに送られることにより、電子ビームは試料上の所定の範囲を二次元的に走査する。

この走査により、試料から発生した二次電子は二次電子検出器７に検出される。二次電子検出器の出力信号はＡＤ変換器１０を介して中央制御装置８に送られ、ここで画像処理され、表示装置１２に送られる。この表示装置には、走査信号発生器１０からの走査信号がＸ方向偏向器５Ｘ，Ｙ方向偏向器５Ｙへの供給と同期して送られているので、表示装置の表示画面には所定領域の二次電子像が表示される。尚、二次電子検出器７からの二次電子信号はＡＤ変換器１０及び中央制御装置８を介して一旦メモリ１１に記憶させ、後で、中央制御装置８が読み出し、表示装置１２に二次電子像を表示させるようにしても良い。

尚、試料上方に反射電子検出器を設け、試料からの反射電子を検出し、反射電子像を表示させるようにしても良い。

次に、この様な走査型電子顕微鏡において、試料に照射されるビーム情報（例えば、ビーム径）を得る場合について説明する。

例えば、図２の（ａ）に示す様に、試料上の直線状体（例えば、試料が半導体基板の場合には、ＩＣパターンや十字状マーク）Ｓｅの直線部を電子ビームＥＢで直角に横切るように走査する。図２の（ｂ）は、この走査により、二次電子検出器７が検出した二次電子の信号波形を示す。この検出信号は、中央制御装置８において、二回微分され、ビーム径が求められる。図２の（ｃ）は検出信号に一回の微分を行った信号波形、図２の（ｄ）は二回の微分を行った信号波形を示し、ピークＰａとＰｂ若しくはピークＰｃとＰｄ間の距離からビーム径が求められる。

尚、試料の代わりに、ナイフエッジ部材を配置し、その下方にファラディーカップをおいて、ナイフエッジ部材上を直角に横切る様に電子ビームで走査し、この走査の際、ファラディーカップで電子ビーム電流を検出し、上記の様に、二回微分を行って、ビーム径を求めるようにしても良い。

特開平３−２７２１２９号公報 特開平９−１６６６９８号公報

所で、試料像やビーム情報の元になる検出信号には、バックグランドの影響、波形の歪み、Ｓ／Ｎ比の低下等が入り、精度の高い像観察若しくはビーム情報の取得が困難である。

例えば、ＩＣパターンや十字状マークが形成された半導体基板を試料とした場合を例に上げて説明する。

図３（ａ）に示す如きＩＣパターンＰ上を電子ビームで二次元的に走査すると、この走査によって検出される二次電子若しくは反射電子信号からこのＩＣパターンの二次電子若しくは反射電子像が得られる。しかし、このＩＣパターンの長手方向に対し直角に横切って（即ち、Ｘ方向に）走査した時に検出された検出信号の波形を見ると、図２の（ａ）に示す様に、波形に乱れの無い直線的な台形状にはならずに、図３の（ｂ）に示す様に、信号波形の４つ角部Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４に、バックグランド，検出系及び走査信号の影響や、Ｓ／Ｎ比の低下による波形歪みが表れる。

又、図４の（ａ）に示す様に、十字状マークＭの一方の直線部に対し対し直角に横切って（Ｘ方向に）走査した時に検出された検出信号の波形を見ると、図３の場合と同じ様に、図４の（ｂ）に示す様に、４つ角部Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４に、バックグランド，検出系及び走査信号の影響や、Ｓ／Ｎ比の低下による波形歪みが表れる
本発明は、この様な問題を解決する新規なビーム照射装置を提供することを目的とする。

本発明のビーム照射装置は、ビーム発生手段、ビーム発生手段からのビームを被ビーム照射物上に集束させる集束レンズと対物レンズ、走査信号発生手段からの走査信号に基づいてビーム発生手段からのビームで被ビーム照射物上を走査する走査手段、該走査による被ビーム照射物からのビームを検出する検出手段を備え、被ビーム照射物に形成されたパターン又はマークを走査することにより台形状又は矩形状の出力信号を前記検出手段から得るようにしたビーム照射装置であって、検出出力信号波形の４つの角に現れる歪みをカットするための上方切り出しレベルと下方切り出しレベルが設定され、検出信号の該上方切り出しレベルを超える部分は該上方切り出しレベルに、検出信号の該下方切り出しレベルを下回る部分は該下方切り出しレベルにそれぞれ制限することにより、検出手段の出力信号の内、任意のレベル域にある信号を切り出す振幅制限手段、及び該振幅制限手段の出力信号の振幅を調整する信号レベル調整手段を備えたことを特徴とする。

本発明のビーム照射装置は、荷電粒子ビーム発生手段、荷電粒子ビーム発生手段からの荷電粒子ビームを被ビーム照射物上に集束させる集束レンズと対物レンズ、走査信号発生手段からの走査信号に基づいて荷電粒子ビーム発生手段からの荷電粒子ビームで被ビーム照射物上を走査する走査手段、該走査による被ビーム照射物からの荷電粒子を検出する検出手段を備え、被ビーム照射物に形成されたパターン又はマークを走査することにより台形状又は矩形状の出力信号を前記検出手段から得るようにしたビーム照射装置であって、検出出力信号波形の４つの角に現れる歪みをカットするための上方切り出しレベルと下方切り出しレベルが設定され、検出信号の該上方切り出しレベルを超える部分は該上方切り出しレベルに、検出信号の該下方切り出しレベルを下回る部分は該下方切り出しレベルにそれぞれ制限することにより、検出手段の出力信号の内、任意のレベル域にある信号を切り出す振幅制限手段、及び該振幅制限手段の出力信号の振幅を調整する信号レベル調整手段を備えたことを特徴とする。

本発明のビーム照射装置によれば、被ビーム照射物にビームを照射した際に、被ビーム照射物から、バックグランド，検出系及び走査信号の影響や、Ｓ／Ｎ比の低下による波形歪みの無い検出信号を得ることが出来るので、該検出信号に基づく、画像はコントラストの良好となる。又、該検出信号に基づくビーム情報は極めて精度の高いものとなる。又、該検出信号に基づいて得られるマーク位置など精度の高いものになる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図５は本発明のビーム照射装置の一例である走査型電子顕微鏡の一概略例を示したものである。図中、図１で使用した記号と同一記号の付されたものは同一構成要素を示す。

図５において、図１と異なる構成は、検出器７とＡＤ変換器１０の間に、例えば、スライサの如き振幅制限器１３と、信号レベル調整回路１４を挿入した点にある。尚、振幅制限器１３としてリミッタを使用しても良い。

振幅制限器１３は、中央制御装置８からの指令に基づいて、検出器７の出力信号の中間部を切り出して出力するもので、上の切り出しレベル値と下の切り出しレベル値が中央制御装置８から送られて来る。これらのレベル値は予め設定されている場合と、オペレーターが入力装置（例．キーボード）からレベル値を中央制御装置８に入力する場合がある。

信号レベル調整回路１４は、振幅制限器１３からの出力信号の振幅を中央制御装置８からの指令に基づいて調整する回路で、調整すべき振幅値は予め設定されている場合と、オペレーターが入力装置（例．キーボード）からレベル値を中央制御装置８に入力する場合がある。

例えば、ＩＣパターンや十字状マークが形成された半導体基板を試料とした場合を例に上げて説明する。

例えば、図３（ａ）に示す如きＩＣパターンＰの二次電子像を観察する場合、電子銃１から電子ビームをコンデンサレンズ２及び対物レンズ３により試料上に集束させる。そして、Ｘ，Ｙ偏向器５Ｘ，５Ｙにより、ＩＣパターンＰ上を電子ビームで二次元的に走査する。

この走査によって試料からの二次電子は検出器７に検出される。この際、このＩＣパターンの長手方向に対し直角に横切って（Ｘ方向に）走査した時に検出された検出信号の波形を、例えば、図６の（ａ）（図３の（ｂ）と同じ）に示す如きものとする。

この検出信号は振幅制限器１３に入力される。

さて、予め、実験等により、ＩＣパターンの種類により検出信号波形の４つ角に表れる歪みの大きさ等が分かっているので、これらの歪みがカットされる上方切り出しレベルＬｕと下方切り出しレベルＬｌが中央制御装置８から振幅制限器１３に設定されている。すると、振幅制限器１３からの出力信号の波形は図６の（ｂ）の如く、図６の（ａ）に示す検出信号波形の４つ角の歪みが取れたシャープな台形状になる。

このシャープな台形状の波形信号は信号レベル調整回路１４に入力される。この信号レベル調整回路には、中央制御装置８から、例えば、元の検出信号の振幅に対応した振幅値が設定されている。従って、信号レベル調整回路１４からの出力信号の波形は、図６の（ｃ）に示す様に、元の検出信号の振幅と同等の振幅のシャープな台形状となる。

この様な元の検出信号の振幅と同等の振幅のシャープな台形波形状の信号が、ＩＣパターンの長手方向（Ｙ方向）に僅かずつずらしながら、その都度、ＩＣパターンの長手方向に対し直角に横切って（Ｘ方向に）電子ビームで走査する度に、信号レベル調整回路１４から、ＡＤ変換器１０を介して中央制御装置８に入力される。

中央制御装置８は、これらの信号を画像処理し、表示装置１２に送る。この表示装置には、走査信号発生器６からの走査信号がＸ方向偏向器５Ｘ，Ｙ方向偏向器５Ｙへの供給と同期して送られているので、表示装置の表示画面にはＩＣパターンの二次電子像が表示される。

尚、二次電子検出器７からの二次電子信号をＡＤ変換器１０及び中央制御装置８を介して一旦メモリ１１に記憶させ、後で、中央制御装置８が読み出し、表示装置１２に二次電子像を表示させるようにしても良い。

この様に表示装置に表示された二次電子像は、振幅が十分でシャープな台形状波形の信号、即ち、バックグランド，検出系及び走査信号の影響や、Ｓ／Ｎ比の低下による波形歪みの無い信号に基づいて作られているので、見かけ上でダイナミツクレンジが向上し、ＩＣパターンの輪郭部にボケのない（コントラストの良好な）極めて精度の高い画像となる。

又、例えば、図４（ａ）に示す如き十字状マークＭを使用してビーム情報（例えば、ビーム径）を得る場合、同じ様に、電子銃１から電子ビームをコンデンサレンズ２及び対物レンズ３により試料上に集束させる。そして、Ｘ，Ｙ偏向器５Ｘ，５Ｙにより、十字状マークＭ上を電子ビームで二次元的に走査する。

この走査によって試料からの二次電子は検出器７に検出される。この際、Ｘ方向のビーム径を得る場合、この十字状マークＭのＹ方向に伸びた部分に対し直角に（Ｘ方向に）横切って走査した時に検出された検出信号の波形を、例えば、図７の（ａ）（図４の（ｂ）と同じ）に示す如きものとする。

この検出信号は振幅制限器１３に入力される。

さて、予め、実験等により、十字状マークＭにより検出信号波形の４つ角に表れる歪みの大きさ等が分かっているので、これらの歪みがカットされる上方切り出しレベルＬｕ´と下方切り出しレベルＬｌ´が中央制御装置８から振幅制限器１３に設定されている。すると、振幅制限器１３からの出力信号の波形は図７の（ｂ）の如く、図７の（ａ）に示す検出信号波形の４つ角の歪みが取れたシャープな矩形状になる。

このシャープな矩形状の波形信号は信号レベル調整回路１４に入力される。この信号レベル調整回路には、中央制御装置８から元の検出信号の振幅に対応した振幅値が設定されている。従って、信号レベル調整回路１４からの出力信号の波形は、図７の（ｃ）に示す様に、元の検出信号の振幅と同等の振幅のシャープな矩形状となる。

この様な元の検出信号の振幅と同等の振幅のシャープな矩形波形状の信号が、ＩＣパターンの長手方向に僅かずつずらしながら、その都度、ＩＣパターンの長手方向に対し直角に横切って電子ビームで走査する度に、信号レベル調整回路１４から、ＡＤ変換器１０を介して中央制御装置８に入力される。

中央制御装置８は、これらの信号を前記した様に、二回微分し、ビームのＸ方向の径を得る。

尚、Ｙ方向のビーム径を得る場合、この十字状マークＭのＸ方向に伸びた部分に対し直角に（Ｙ方向に）横切って走査し、Ｘ方向のビーム径を得る場合と同じ様に、二次電子信号を得る。

この様にして、振幅が十分でシャープな矩形状波形の信号、即ち、バックグランド，検出系及び走査信号の影響や、Ｓ／Ｎ比の低下による波形歪みの無い信号に基づいて、ビーム情報（ビーム径）を得るようにしているので、極めて精度の高いビーム情報が得られる。

尚、上記各例では、切り出しレベルは予め決めていたが、検出信号の波形を表示しながら、いろいろ変えて行っても良い。

又、検出器からの検出信号を一旦メモリに取り込んでから、中間部の切り出しと、切り出した信号の振幅調整を行う様に成しても良い。

又、上記例では応用例として、試料像観察とビーム情報取得を説明したが、マーク位置検出等にも使用される。

又、上記例では、走査型電子顕微鏡に応用した場合について説明したが、本発明は、被ビーム照射物からのビーム検出系を備えた他の荷電粒子ビーム装置や光ビーム装置にも応用可能である。

走査型電子顕微鏡の一概略例を示している。 試料上の直線状体Ｓｅの直線部を電子ビームＥＢで直角に横切るように走査した時の信号波形図を示している。 ＩＣパターンＰ上を電子ビームで二次元的に走査した時に検出される二次電子信号の波形図を示している。 十字状マーク上を電子ビームで二次元的に走査した時に検出される二次電子信号の波形図を示している。 本発明のビーム照射装置の一例である走査型電子顕微鏡の一概略例を示したものである。 信号波形図を示している。 信号波形図を示している。

符号の説明

１…電子銃
２…コンデンサレンズ
３…対物レンズ
４…試料
５Ｘ…Ｘ方向偏向器
５Ｙ…Ｙ方向偏向器
６…走査信号発生器
７…二次電子検出器
８…中央制御装置
９…ＤＡ変換器
１０…ＡＤ変換器
１１…メモリ
１２…表示装置
１３…振幅制限器
１４…信号レベル調整回路

Claims (4)

1. ビーム発生手段、ビーム発生手段からのビームを被ビーム照射物上に集束させる集束レンズと対物レンズ、走査信号発生手段からの走査信号に基づいてビーム発生手段からのビームで被ビーム照射物上を走査する走査手段、該走査による被ビーム照射物からのビームを検出する検出手段を備え、被ビーム照射物に形成されたパターン又はマークを走査することにより台形状又は矩形状の出力信号を前記検出手段から得るようにしたビーム照射装置であって、検出出力信号波形の４つの角に現れる歪みをカットするための上方切り出しレベルと下方切り出しレベルが設定され、検出信号の該上方切り出しレベルを超える部分は該上方切り出しレベルに、検出信号の該下方切り出しレベルを下回る部分は該下方切り出しレベルにそれぞれ制限することにより、検出手段の出力信号の内、任意のレベル域にある信号を切り出す振幅制限手段、及び該振幅制限手段の出力信号の振幅を調整する信号レベル調整手段を備えたビーム照射装置。
2. 荷電粒子ビーム発生手段、荷電粒子ビーム発生手段からの荷電粒子ビームを被ビーム照射物上に集束させる集束レンズと対物レンズ、走査信号発生手段からの走査信号に基づいて荷電粒子ビーム発生手段からの荷電粒子ビームで被ビーム照射物上を走査する走査手段、該走査による被ビーム照射物からの荷電粒子を検出する検出手段を備え、被ビーム照射物に形成されたパターン又はマークを走査することにより台形状又は矩形状の出力信号を前記検出手段から得るようにしたビーム照射装置であって、検出出力信号波形の４つの角に現れる歪みをカットするための上方切り出しレベルと下方切り出しレベルが設定され、検出信号の該上方切り出しレベルを超える部分は該上方切り出しレベルに、検出信号の該下方切り出しレベルを下回る部分は該下方切り出しレベルにそれぞれ制限することにより、検出手段の出力信号の内、任意のレベル域にある信号を切り出す振幅制限手段、及び該振幅制限手段の出力信号の振幅を調整する信号レベル調整手段を備えたビーム照射装置。
3. 被ビーム照射物上の走査に基づく被ビーム照射物像を表示する表示手段を備えている請求項１又は２記載のビーム照射装置。
4. 被ビーム照射物上をライン状に走査した時に検出された検出信号波形及び位置情報を表示するように成した請求項１又は２記載のビーム照射装置。

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