JP4901784B2 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子線装置に係わり、荷電粒子線による試料のスキャン画像、荷電粒子線照射位置の変動、ステージ位置の変動、またそれぞれのパワースペクトルを表示させて、荷電粒子線照射位置の安定性を評価する荷電粒子線装置、および、変位検出回路に関する。

近年、半導体素子の集積度が向上するにともなって、半導体計測装置には１ナノメートル以下の精度でパターン形状を測定する性能や、半導体検査装置には数十ナノメートルの微小欠陥を検出する機能が求められている。

計測装置、検査装置ともに、取得画像の画質はコントラスト、エッジシャープネス等から判断することが多いが、電子線位置の安定性までを定量的に評価することは困難である。電子線照射位置の計測自体が困難であり、試料が搭載されたステージの位置変動も高分解能のレーザ測長基板を使用しない限りは１ナノメートル以下の分解能で測定することは困難である。

電子線位置を計測する一例として、ナイフエッジやパターンエッジで電子線位置を計測する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。ナイフエッジ法では、エッジで妨げられない電子を試料下方のファラデーカップで計測することにより、エッジにかかる電子線位置を評価する方法である。一方、パターンエッジに電子線を照射する方法では、電子線のビーム径とパターンエッジとのとりあいから変化する２次電子を検出して評価する方法である。いずれの方法でも、エッジにビーム径をかけ偏向させない状態で評価しているため、この状態では画像は見えず、画像に同期した電子線位置変動は得られない。

また、ヘテロダイン干渉計において現れる２つの電気信号（基準信号，測定信号）の位相差を測定するための装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。ヘテロダイン干渉計の分解能をデジタル回路によってさらに分割する画期的な発明である。例えば、２メガヘルツのビート周波数に対して、クロック周波数が２０倍高速の４０メガヘルツにした場合、位相差の計測分解能は、２×（ビート周波数）／（クロック周波数）より、１／１０に向上できる。

特開平１１−１６８１５号公報 特表平９−５０５１４３号公報

本発明の課題は、半導体検査装置のオペレータが、ディスプレイ上で電子線照射位置の安定性を簡単に評価することである。

また本発明の課題は、装置の状態を確認するために、ディスプレイで短時間に電子線の位置の安定性を評価することができるようにすることである。

この実現には、最近の半導体デバイスの寸法精度、欠陥形状に見合った計測方法も同時に要求される。
電子線位置計測については、パターンエッジ上を１ライン走査するたびに２次電子検出
器から明暗に応じた電流を電圧に変換した信号波形が得られる。この信号波形は１フレー
ム分繰り返される。２次電子検出信号の周波数には、偏向周波数のほかに偏向周波数に比
べ低域の電源周波数や振動周波数が含まれている。課題としては、２次電子検出信号から
低周波変動成分のみを抽出し、１ナノメートル以下の変位を測定することである。
また、ステージ位置計測の課題は、１ナノメートル以下の変位を計測することである。
基準信号と測定信号のゲート出力波形のデューティ比の変化を検出することにより高Ｓ／
Ｎ化が図れるが、変位の方向が分からない。

本発明は、荷電粒子線が照射される位置の安定性を容易に評価することができる荷電粒子線装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の実施態様は、荷電粒子線をスキャンして試料から生じる二次粒子を検出する検出器と、検出器で検出した二次粒子に基づいてディスプレイへ試料の画像を表示する荷電粒子線装置において、ディスプレイ上に、試料の荷電粒子線によるスキャン画像、試料上の荷電粒子線の照射位置の変動を示す時刻歴波形、時刻歴波形のパワースペクトルのうちのいずれか２つ以上を表示させることを特徴とする。

また、試料を搭載するステージの位置を計測するヘテロダイン干渉計を備え、ディスプレイ上に、試料の荷電粒子線によるスキャン画像、試料上の荷電粒子線の照射位置の変動を示す第１の時刻歴波形、ステージの位置を示す第２の時刻歴波形、第１の時刻歴波形のパワースペクトル、第２の時刻歴波形のパワースペクトルのうちのいずれか２つ以上を表示させることを特徴とする。

本発明の実施態様によれば、荷電粒子線が照射される位置の安定性を容易に評価することができる荷電粒子線装置を提供することができる。

以下、本発明の実施例を説明する。電子線位置計測に関しては、偏向周波数を減衰させるローパスフィルタを、２次電子検出器の後段に配置することにより、電源，振動に同期した電子線位置変動のみが得られる。変位への換算については、１ライン走査時の偏向振幅量と２次電子検出器の電圧変化量より決まる。

ステージ位置計測については、次のとおりである。ヘテロダイン干渉計の基準信号は、一定の周波数の矩形波（デューティ比５０％）が出力され、測定信号は、対称物が近づくと矩形波（デューティ比５０％）の周波数は高く、離れると周波数は下がる。基準信号と測定信号の２つの電気信号の位相差φをある範囲に維持しておくと、基準信号と測定信号のゲート出力のデューティ比の増減方向は、変位方向に一致する。そこで、測定信号に対して基準信号の位相差を検出しつつ、基準信号の位相が測定信号に対して、例えば、π／２≦φ＜πとなるように、基準信号の位相をシフトする。位相シフトされた基準信号と測定信号のゲート出力を検出する。検出された波形にはビート周波数が含まれているので、ローパスフィルタでカットする。結果として、ビート周波数より低域かつ方向が特定された変位情報が得られる。

図１は、荷電粒子線装置の概略構成を示す縦断面図である。本実施例では、荷電粒子線として電子線の例を説明しているが、正の電荷をもつ荷電粒子でも同様である。電子源１から放出された電子線２は、電子光学鏡筒３の内部で対物レンズ４で収束され、偏向レンズ５で偏向される。電子線２の試料６の偏向領域の走査により発生した２次電子を検出器１６で検出し、この検出信号から試料６の表面形状等の情報を得ることができる。２次電子信号をアンプ１７で増幅し、画像処理装置１８で画像信号に変換し、コンソール７のディスプレイ８に試料６の表面形状等の情報が画像として表示される。

試料６の全面を計測または検査する場合は、試料６を搭載しているステージ９を、ヘテロダイン干渉計１０で位置計測し、所定の位置にステージ９を移動させ、新たな位置の画像情報を得ることができる。

高倍率で鮮明な画像を取得するためには、電子線２のビーム径を細く、かつ電子線２の照射位置が試料６に対して安定していなければならない。したがって、ステージ９の位置と、ステージ９に対する電子線２の位置の関係を把握する必要があり、装置の状態を確認するために、ディスプレイ８で短時間に電子線２の位置の安定性を評価することができるようにする。電子線２の位置の計測方法とステージ９の位置の計測方法については、後述する。

図２は、ディスプレイ８に表示される画像の例を示す画面図である。ディスプレイ８の画面の１つのウィンドウ１１内に、画像１２、電子線位置の時刻歴波形１３、パワースペクトル１４がレイアウトされている。それぞれのグラフは、カーソル移動させることにより、時間と変位、周波数と振幅値が表示される。画像、波形、パワースペクトルの保存もできる。ステージ位置の時刻歴波形やパワースペクトルを比較することによって、電子線位置変動の状態を判断することができる。例えば、ステージ位置と電子線位置が同期して変化し、振幅が同じであるならば、ステージの機械振動が起因していることになり、また、ステージが動かずに電子線位置のみが電源周波数で変化している場合は電源起因であると判断できる。一般的には、電子線位置の変動は、ステージ振動に加え、電子光学鏡筒の振動、電源起因の振動が重畳される。日々の電子線位置変動のデータ、ステージの位置変動のデータを残すことによって、その装置の状態を判断することができる。

図３は、電子線位置の計測方法を示す斜視図である。電子線２の偏向領域に、試料６のパターンエッジ１５が含まれるようにし、放出される２次電子量を検出器１６で出力し、アンプ１７で増幅する。パターンエッジ１５の上を電子線２で偏向走査している状態では、ディスプレイに表示される画像のエッジ部では明るく、それ以外の領域では暗く表示される。２次電子検出信号を画像処理装置１８で処理された画像は、画像１２のようになる。電子線位置の不安定な挙動は、１ラインごとの明暗の比の変化となって現れるため、偏向周期の明暗信号をローパスフィルタ１９に通過させることによって、電子線の揺れ成分のみが得られる。さらには、ＦＦＴ（Fast Fourier Tranform）２０によって、周波数ごとの振幅値が得られる。

図４は、ヘテロダイン干渉計の変位検出回路であり、ステージ変位の検出方法を説明する。ヘテロダイン干渉計の基準信号、測定信号の基本周波数は２周波レーザのビート周波数（ｆｂ（Ｈｚ））であり、測定信号２２は測定対象物の位置が変化することにより周波数が変化する。従来方法では、基準信号と測定信号の単位時間あたりのパルス数をそれぞれカウンタで計測して、差分に分解能（例えば、λ／（２ｎ）、ｎ＝１，２，３，・・・）を掛けて変位量を算出している。

基準信号２１と測定信号２２をデジタル回路とアナログ回路に送る。デジタル回路のクロック周波数は、例えば、ビート周波数の２０倍高速とする。基準信号２１、測定信号２２ともにＴＴＬ（Transistor Transistor Logic）信号であるとする。基準信号２１のパルス数をカウンタＡ２３でカウントし、測定信号２２のパルス数をカウンタＢ２４でカウントし、両者の差を減算器２５でとる。差が１以下、位相差に換算してπ以下になったときに、位相差検出器２６にて位相差の検出を始める。位相差の検出方法は、基準信号２１のＬｏからＨｉレベルに切替った瞬間と、測定信号２２のＬｏからＨｉレベルに切替った瞬間との時間差ｔを、クロックのパルス数から算出し、基準信号の１周期から位相φを算出する。

一方、アナログ回路では、２段の単安定マルチバイブレータを使用した位相シフタ２７、測定信号２２に対し、−π／２，＋π／２，＋πというように、位相の異なる信号を作り出している。測定信号２２に対する基準信号２１の位相差が、ある一定の範囲（π／２からπ）になるように、セレクタ２８の信号でアナログスイッチ２９（ＳＷ０〜ＳＷ３）を切替え、基準信号の位相をシフトさせた波形を選択する。選択された基準信号と測定信号をゲート３０に送る。ゲートから出力される波形はビート周波数でかつデューティ比が異なる波形となっている。この波形をローパスフィルタ３１に送り、ビート周波数を除くことにより、低域の変位情報が得られる。

再び、デジタル回路では、位相の切替え回数をカウンタＣ３２でカウントする。なお、１回の切替量π／２はλ／（４ｎ）の変位に相当する。カウンタＣ３２の値は、デジタルで出力される。

こうして得られたデジタル回路の出力（ＤＯ）と、アナログ回路の出力（ＡＯ）の和が、変位量となる。加算方法は、デジタル出力をアナログ出力に変換してアナログ回路で加算しても良い。また、アナログ出力をデジタル変換し、デジタル回路で加算しても良い。

図５は、変位検出回路のタイムチャートであり、図４の出力値を時間の変化とともに記載している。カウンタＡ，カウンタＢの差分は、３，２，１と減少している。基準信号は、１周期を２０点でサンプリングしている条件下で、カウンタＣの出力は６，９，１３と変化している。ｔ２，ｔ３の時刻では、位相差π／２≦φ＜πであるため、位相シフト量はゼロとしセレクタの欄のアナログスイッチＳＷ１を選択する。ｔ４，ｔ５の時刻では、位相差π＜φ≦３π／２になり、位相シフト量は＋π／２としアナログスイッチＳＷ２を選択する。位相を意図的にシフトさせたために、その変位相当量をカウンタＣに加える。図５の下方に示すタイムチャートは、デジタル出力値（ＤＯ）、アナログ出力値（ＡＯ）、それらの和を示したものである。

なお、位相差がπ／２ずれたときのＡＯの電圧は（Ｌｏ＋３Ｈｉ）／４、πずれた時の位相差がＡＯの電圧はＨｉとなり、電圧振幅として（Ｈｉ−Ｌｏ）／４（≒１Ｖ）となる。もとのヘテロダイン干渉計の分解能がλ／（２ｎ）とすると、ＡＯの変位振幅はλ／（４ｎ）となる。ＡＯのノイズが１０ｍＶ以下に抑えられれば、本発明の変位検出回路の分解能はλ／（４ｎ×１００）となり、元の分解能の１／２００に向上できる。

以上、述べたように、本発明の実施態様によれば、パターンのエッジを観察するだけで、電子線照射位置変動とステージ位置変動の時刻歴波形を重ねて表示したり、それぞれのパワースペクトルを重ねて表示させることにより、時間あたりの変動量や周波数毎の振幅を評価することができ、荷電粒子線装置において、荷電粒子線照射位置の安定性を容易に評価することができる。

荷電粒子線装置の概略構成を示す縦断面図。 ディスプレイに表示される画像の例を示す画面図。 電子線位置の計測方法を示す斜視図。 ヘテロダイン干渉計の変位検出回路。 変位検出回路のタイムチャート。

符号の説明

１ 電子源
２ 電子線
３ 電子光学鏡筒
４ 対物レンズ
５ 偏向レンズ
６ 試料
７ コンソール
８ ディスプレイ
９ ステージ
１０ ヘテロダイン干渉計
１１ ウィンドウ
１２ 画像
１３ 時刻歴波形
１４ パワースペクトル
１５ パターンエッジ
１６ 検出器
１７ アンプ
１８ 画像処理装置
１９ ローパスフィルタ
２０ ＦＦＴ
２１ 基準信号
２２ 測定信号
２３ カウンタＡ
２４ カウンタＢ
２５ 減算器
２６ 位相差検出器
２７ 位相シフタ
２８ セレクタ
２９ アナログスイッチ
３０ ゲート
３１ ローパスフィルタ
３２ カウンタＣ

Claims (4)

1. 荷電粒子線を走査して試料から生じる二次粒子を検出する検出器と、該検出器で検出した二次粒子に基づいてディスプレイへ前記試料の画像を表示する荷電粒子線装置において、
   前記ディスプレイ上に、前記試料の前記荷電粒子線による走査画像、前記試料上の前記荷電粒子線の走査ラインの変動を示す時刻歴波形、該時刻歴波形のパワースペクトルのうちのいずれか２つ以上を表示させることを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 請求項１の記載において、前記検出器の後段にローパスフィルタを有することを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 荷電粒子線を走査して試料から生じる二次粒子を検出する検出器と、該検出器で検出した二次粒子に基づいてディスプレイへ前記試料の画像を表示する荷電粒子線装置において、
   前記試料を搭載するステージの位置を計測するヘテロダイン干渉計を備え、
   前記ディスプレイ上に、前記試料の荷電粒子線による走査画像、前記試料上の前記荷電粒子線の走査ラインの変動を示す第１の時刻歴波形、前記ステージの位置を示す第２の時刻歴波形、前記第１の時刻歴波形のパワースペクトル、前記第２の時刻歴波形のパワースペクトルのうちのいずれか２つ以上を表示させることを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 請求項３の記載において、
   前記ヘテロダイン干渉計の基準信号と測定信号のそれぞれの光ビート回数をカウントするデジタルカウンタと、
   前記基準信号と前記測定信号の差分をとる減算器と、
   前記基準信号の波形の位相をシフトさせる位相シフト回路と、
   該位相シフト回路で位相シフトされた位相シフト信号の波形から特定の１つの信号波形を選択するスイッチ回路と、
   前記基準信号と前記測定信号との位相差を検出するゲートと、
   該ゲートの出力からヘテロダイン周波数の信号を取り除くローパスフィルタを有する変位検出回路とを備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。

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