JP4928971B2 - 走査形電子顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、電子ビームを試料に照射して発生する二次粒子を検出し、二次元画像を形成する走査形電子顕微鏡に関する。

走査形電子顕微鏡により電子ビームを試料へ照射しているときに、試料が振動すると、その振動が画像に現れる。試料に略垂直に電子ビームを照射するときに、試料の水平方向への振動に対する電子ビームの追従補正に関する技術は知られている（例えば、特許文献１参照）。また、試料が上下に振動するときは、焦点深度内であれば、二次元画像への振動の影響はないといえる。一方、試料に電子ビームを斜め方向から照射して二次元像を取得することによって、試料の凹凸情報や構造物の側面の情報を得る技術が知られている
（例えば、特許文献２参照）。しかし、試料が上下振動すると、電子ビームの照射位置が水平方向に変化するため、試料の振動にあわせて二次元像の揺れが現れる。

二次元像の揺れを低減する方法として、試料保持部の耐振動性を向上させることができればよいが、以下の理由で現実的ではない。試料の上下方向の振動量をｄ、電子ビームの垂直方向からの傾斜角をθとしたとき、水平方向への像揺れ量ｌは次式で計算できる。
「ｌ＝ｄ×tanθ 」。仮に、垂直方向から１０度傾斜した電子ビームにより二次元像の２ナノメートルの分解能を得るためには、像揺れ量を２ナノメートル以下に抑えなければならないので、ｌ＝２ナノメートルを上記式へ代入すると、２ナノメートルの二次元像の揺れに相当する試料の上下方向の振動量はｄ＝１１.３ ナノメートルとなる。試料保持部を常にこの程度の振動に抑えるのは大変困難である。

走査形電子顕微鏡は、半導体デバイスの製造工程における半導体ウェーハの検査装置として用いられているが、自動化制御により高速に多数点の電子顕微鏡像を取得することが求められている。観察点を移動した直後には、半導体ウェーハやウェーハ保持部に縦振動が生じることから、明瞭な傾斜像を得るには振動が収まるまで待機する必要があるが、この振動が収まる前に傾斜像を取得開始できれば、検査時間が長くなることを防止することができる。

特開平８−２９８０８８号公報 特開２００４−１２７９３０号公報

本発明は、試料の垂直方向に対して傾斜させた電子ビームを試料に照射して二次元像を得るときに、試料の上下振動が原因で検査時間が長くなることを防止できる走査形電子顕微鏡を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明は、試料ステージの高さ変位量を測定し、この変位量と電子ビームの傾斜角とから電子ビームの試料に対する照射位置の変位量を算出し、ビーム偏向手段により電子ビームの水平方向の照射位置を補正するようにしたものである。

本発明によれば、試料の垂直方向に対して傾斜させた電子ビームを試料に照射して二次元像を得るときに、試料の上下振動が原因で検査時間が長くなることを防止できる走査形電子顕微鏡を提供することができる。

図１は、本発明が適用される走査形電子顕微鏡の一例を示す構成図であり、試料に対して略垂直に一次電子ビームを照射する場合を示す。陰極１と第１陽極２の間に、マイクロプロセッサ２２で制御される高圧制御電源１５により引き出し電圧が印加され、所定のエミッション電流で一次電子ビーム４が陰極１から引き出される。陰極１と第２陽極３の間には、マイクロプロセッサ２２で制御される高圧制御電圧１５により加速電圧が印加されるため、陰極１から放出された一次電子ビーム４は加速されて、後段のレンズ系に進行する。一次電子ビーム４は、第１収束レンズ制御電源１６で制御された第１収束レンズ５で収束され、絞り板８で一次電子ビーム４の不要なエネルギー領域を除去された後、第２収束レンズ制御電源１７で制御された第２収束レンズ６と、対物レンズ制御電源２１で制御された対物レンズ７により、試料ステージ２３上の試料１１に微小スポットになるように収束される。このときの収束の程度を模式的に一次電子ビーム軌道３０に示す。対物レンズ７に、インレンズ方式，アウトレンズ方式，シュノーケル方式（セミインレンズ方式）などの種々の形態があることは公知である。

一次電子ビーム４は、走査コイル制御電源１８で制御された走査コイル９により、試料１１上を二次元的に走査される。走査幅は取得する画像の拡大倍率に応じてマイクロプロセッサ２２で決定される。一次電子ビーム４の照射により試料１１から発生した二次電子等の二次信号１３は、対物レンズ７を通過した後、二次信号分離用の直交電磁界発生装置１２により、エネルギーの違いにより分離されて、二次信号検出器１４の方向に進行し、検出される。

二次信号検出器１４で検出した信号は、信号増幅器２０，アナログ・トゥ・デジタル変換器２９，マイクロプロセッサ２２を経て、画像信号としてコンピュータ２５の図示しない記憶メモリに記憶される。コンピュータ２５の記憶メモリに記憶された画像信号は、画像表示装置２６に随時表示される。

ビーム偏向コイル電源１９で制御されるビーム偏向コイル１０は、一次電子ビーム４を傾斜させる作用を有する。試料１１を載置する試料ステージ２３は試料ステージ制御装置２４により、観察点を顕微鏡視野に移動させる。コンピュータ２５は画像表示装置２６の他に、入力装置２７，２８が接続され、マイクロプロセッサ２２への命令を入力することができる。

図２は、図１と同じく本発明が適用される走査形電子顕微鏡の一例を示す構成図であるが、試料の垂直方向に対して傾斜させた一次電子ビームを照射して二次元像を得る例を示す。一次電子ビーム４は、ビーム偏向コイル１０により偏向され、対物レンズ７により収束されると同時に対物レンズ７の屈折作用により偏向され、図１に示した場合と比べて、一次電子ビーム軌道３１のように、試料１１の垂直方向に対して傾斜して入射する。

試料ステージ振動測定器３２は、試料ステージ２３の高さの変位を測定し、マイクロプロセッサ２２に変位量を送信する。マイクロプロセッサ２２は、試料ステージ２３の高さの変位量に基づいて、一次電子ビーム４が試料１１に入射するときの基準に対する位置ずれ量を算出する。さらに、マイクロプロセッサ２２は、位置ずれ量を補正するためにビーム偏向量の補正値を算出し、この補正値に基づいてビーム偏向コイル電源１９を制御してビーム偏向コイル１０に電流を流し、その結果、一次電子ビーム４の入射位置が補正される。

一次電子ビーム４の入射位置の補正にあたっては、試料ステージ２３の高さの変位量の周波数解析を行い、変位量の大きい周波数の振幅だけから入射位置のずれ量を算出し、一次電子ビームの入射位置を補正するようにすると、制御の応答性を改善することができる。

これらの一連の一次電子ビーム４の入射位置の補正は、観察中常時動作させても良いし、試料ステージ２３が移動し停止した直後から振動が十分小さくなるまでの時間のみ動作させても良い。試料ステージ振動測定器３２に関しては、光を移動物に照射して変位を測定する変位測定装置を用いることも可能である。

図３は、一次電子ビームと試料の上下移動との位置関係を示す模式図である。試料３３に対して電子ビーム３４が入射角θで入射したとき、電子ビーム３４の入射位置の水平方向の位置はＡである。次に、試料３３が高さ方向へｄだけ下方へ移動して試料３５になったとすると、電子ビーム３４は電子ビーム３６の軌道をとり、試料３５に水平方向の位置Ｂで入射するので、像揺れは位置Ａと位置Ｂの距離ｌだけ発生する。したがって、試料が下方向へｄだけ移動したときは、式「ｌ＝ｄ×tanθ 」によりｌの値を求め、電子ビーム３４の水平方向の位置をｌだけ右方向へ移動させ、試料３５に位置Ａで入射するように制御する。

このように、試料の上下方向の振動を測定して、試料の位置に基づく電子ビームの水平方向の位置の補正を行うことにより、試料の振動が収束するまで待たなくても像揺れのない二次元像を取得することが可能となる。したがって、試料ステージを移動させて観察点を移動した直後には、半導体ウェーハやウェーハ保持部に縦振動が生じることから、明瞭な傾斜像を得るには振動が収まるまで待機する必要があったが、本発明によれば、この振動が収まる前に傾斜像を取得開始できるので、検査時間が長くなることを防止することができる。

なお、本実施例では、ビーム偏向コイルを一次電子ビームの傾斜に必要なビーム偏向と入射位置補正の両方に用いているが、それぞれの用途に対して独立した偏向コイルとコイル電源を用いても良い。

本発明が適用される走査形電子顕微鏡の一例を示す構成図。 本発明が適用される走査形電子顕微鏡の一例を示す構成図。 一次電子ビームと試料の上下移動との位置関係を示す模式図。

符号の説明

４ 一次電子ビーム
６ 第２収束レンズ
７ 対物レンズ
１０ ビーム偏向コイル
１１ 試料
１７ 第２収束レンズ制御電源
１９ ビーム偏向コイル電源
２１ 対物レンズ制御電源
２２ マイクロプロセッサ
２３ 試料ステージ
２５ コンピュータ
３２ 試料ステージ振動測定器

Claims (4)

1. 試料の垂直方向に対して傾斜した光軸を有する電子ビームを該試料へ照射して二次元像を取得する走査形電子顕微鏡において、
   前記試料を載置した試料ステージの上下方向の振動量を測定する振動量測定手段と、測定された該振動量と前記電子ビームの傾斜角とから前記二次元像の揺れを無くすよう該電子ビームの前記試料に対する照射位置の変位量を算出し、該算出結果に基づいた前記電子ビームの制御信号を送信するマイクロプロセッサと、該マイクロプロセッサからの前記制御信号に基づいて、前記電子ビームの照射位置を補正するビーム位置補正手段とを備えたことを特徴とする走査形電子顕微鏡。
2. 請求項１の記載において、前記マイクロプロセッサは、測定された前記振動量のうちの大きい振動量の周波数の振幅と前記傾斜角とから前記変位量を算出することを特徴とする走査形電子顕微鏡。
3. 請求項１の記載において、前記振動量測定手段は、前記試料ステージに設けられていることを特徴とする走査形電子顕微鏡。
4. 請求項１の記載において、前記ビーム位置補正手段は、前記試料ステージの移動時に前記試料ステージの振動が収束するまで前記電子ビームの照射位置を補正することを特徴とする走査形電子顕微鏡。

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