JP4981467B2 - 寸法測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子線ビームを高磁場によって細く絞って低真空の試料室内に配置した試料に照射しつつ平面走査し、放出された２次電子を検出して試料の寸法の測長を行う寸法測長装置に関するものである。

従来、ホトマスクなどの絶縁性の試料を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察する場合、電子線ビームによる試料表面に帯電が生じて安定な画像が得られず、当該画像をもとにパターンの寸法などを高精度の測長できない。

このための対策として、絶縁性の試料をステージに固定して配置する試料室の内部の圧力を高くして気体（通常は空気）が電子線ビームでイオン化される作用を利用して試料の帯電を防止（キャンセル）する技術が知られている。この方法では、試料室の内部にイオンが発生して試料室内に２次電子検出器を配置すると２次電子検出器の表面がイオン（正あるいは負のイオン）で照射を受けて短時間に使用不可になってしまう。このため、２次電子検出器を使用できず、試料面に対向する電極を設け、試料面と対向面との間の２次電子励起による気体放電電流を検出し、試料面の画像を生成する技術（Ｅ−ＳＥＭという）がある。

しかし、試料面と対向面との間の２次電子励起による気体放電電流を検出し、試料面の画像を生成する技術は、試料室内の気体の圧力で検出信号が大きく変化し安定な検出が困難であるという問題がある。

また、２次電子検出器を高真空の領域に設けとしても圧力差を保つための小さな穴のオリフィスにさえぎられて試料面から放出された２次電子が高真空の領域に十分に到達できず、高Ｓ／Ｎ比で検出し得ないという問題もあった。

本発明は、電子線ビームを高磁場によって細く絞って低真空の試料室内に配置した試料に照射しつつ平面走査し、放出された２次電子を検出して試料の寸法の測長を行う寸法測長装置において、電子線ビームを高磁場で細く絞って低真空の試料室内に配置した試料に照射しつつ平面走査する磁界型対物レンズおよび偏向系と、磁界型対物レンズの高磁場による、試料から放出された２次電子の２次電子軌道の絞り込みが行われる場所に配置し、かつ２次電子を遮断しない可及的に小さな直径を持つ２段以上のオリフィスと、２段以上のオリフィスを、回転しながら通過した２次電子を加速する正の電圧を印加あるいは正の電圧を印加した電極を設けると共に加速された２次電子を衝突させて検出・増幅する２次電子検出器とを備えるようにしている。

この際、２次電子検出器で検出した信号をもとに試料の２次電子画像を生成し、２次電子画像をもとに試料の測長を行う画像処理系を備えるようにしている。

また、試料室の低真空を１０−２パスカルから１００パスカルの範囲内に調整する、気体導入手段あるいは真空排気制御手段を備えるようにしている。

また、ガスを、空気、窒素、酸素のいずれかとするようにしている。
また、２次電子検出器の領域を、１０−２パスカル以下に排気する真空排気系を設けるようにしている。

本発明は、磁界型対物レンズの高磁場によって電子線ビームを細く絞って低真空中に配置した試料に照射しつつ平面走査すると共に高磁場による２次電子軌道の絞り込みが行われる場所に２段以上の可及的に小さなオリフィスを配置して２次電子を高真空側に設けた２次電子検出器に高効率に導いて高Ｓ／Ｎで検出して画像を形成することにより、試料のパターンなどを高精度に測長することが可能となった。

本発明は、磁界型対物レンズの高磁場によって電子線ビームを細く絞って低真空中に配置した試料に照射しつつ平面走査すると共に高磁場による２次電子軌道の絞り込みが行われる場所に２段以上の可及的に小さなオリフィスを配置して２次電子を高真空側に設けた２次電子検出器に高効率に導いて高Ｓ／Ｎで検出して画像を形成し、試料のパターンなどを高精度に測長することを実現した。

図１は、本発明の１実施例構造図を示す。
図１において、電子銃１は、電子線ビームを発生して放出する公知のものである。

コンデンサレンズ２は、電子銃１から放出された電子線ビームを集束する公知のものである。

対物レンズ３は、コンデンサレンズ２で集束された電子線ビームを、試料１２である例えばマスクの上に細く絞るものであって、ここでは、当該対物レンズ３の強磁場がマスクの上まで及んでいるものである。これにより、マスクの上に細く絞った電子線ビームを照射しつつ平面走査したときに当該マスク（試料１２）から放出された２次電子が、当該対物レンズ３の強磁場あるいは当該対物レンズ３から漏洩した磁場により軸上を螺旋を描きながら、ここでは、上方向に少なくとも２段のオリフィス６を通過して２次電子検出器４の前部あるいは前方のリングに印加した直流の正の高電圧（数ＫＶから十数ＫＶあるいは更に高電圧）に高効率に吸引され、更に、２次電子検出器４の検出面に衝突してロスなく、マスク（試料１２）から放出された２次電子をほぼ全量を集束して検出・増幅することが可能となる。この際、試料室１１は、低真空に保持するため、少なくとも２段以上のオリフィス６を通過した上部では高真空に保持して、充分な高電圧を印加し、２次電子検出器４で高効率に２次電子を検出・増幅することが可能となる。また、対物レンズ３の内側には、図示外の公知の２段偏向系を設け、当該２段偏向系で細く絞った電子線ビームをマスク（試料１２）上に照射しつつ平面走査する。

２次電子検出器４は、前部あるいは前方に正の直流の高電圧（数ＫＶから十数ＫＶあるいは更に高電圧）を印加し、マスク（試料１２）から放出された２次電子を吸引して前部の検出面に衝突させ、検出・増幅するものであって、ＭＣＰ（マルチチャンネルプレート）、シンチレータなどである。２次電子検出器４に印加する高電圧（数ＫＶから十数ＫＶあるいは更に高電圧）は、試料室１１に当該２次電子検出器４を配置した場合には印加困難である。その理由は、低真空の試料室１１に配置すると、当該低真空により高電圧が放電したり、更に、放電はしないまでも、電子線ビームを照射しつつ平面走査したときにマスク（試料１２）から放出された２次電子を加速したことで試料室１１内の残留気体が当該加速された２次電子によりイオン化（正、負のイオン）され、当該イオン（特に負イオン）が２次電子検出器、特にＭＣＰの検出面に衝突して当該検出面を劣化させてしまい、極めて寿命が短くなってしまうという深刻な問題が発生している。

本発明は、これらの問題を解決するため、試料室１１は低真空にするが、マスク（試料１２）から放出された２次電子を、対物レンズ３の強磁場あるいは対物レンズ３の漏洩磁場を有効活用して高効率に２段以上のオリフィス６を通過させて高真空側に引き出した２次電子を充分な高電圧で加速し、２次電子検出器４（特にＭＣＰ）に衝突させて検出することで、高効率かつ高Ｓ／Ｎ比で２次電子を検出・増幅可能に工夫している。

試料室１１は、低真空（例えば１０−２〜１００パスカル）に保持し、かつステージ（Ｘ）１３，ステージ（Ｙ）１４上に試料１２であるマスクを配置して任意の個所に移動させるものであって、図示外のレーザ干渉計（Ｘ方向とＹ方向）により極めて高精度に位置制御している。試料室１１内の低真空は、試料室１１に連結（あるいは挿入）した図示外の真空測定器で測定している。

バルブ１６，１７は、ガス源１５などから所定のガス（例えば乾燥空気、酸素、窒素、不活性ガスなど）を試料室１１の内部に充満させたり、図示外のノズルで電子線ビームを照射しつつ平面走査する部分に吹き付けさせ、試料室１１の内部の圧力を所定圧力（ここでは、１００〜１０−２パスカル）に保持させるためのものである。尚、ガスを試料１２の面に吹き付けたときは、電子線ビームを照射しつつ平面走査するマスク（試料１２）の部分は、常にクリーンな（新しい）ガスが吹き付けられ、汚染の原因となる物質が電子線ビームを照射しつつ平面走査する部分に混入する割合を低減し、汚染（コンタミ）の発生を防止できる。また、バルブ１６，１７を制御してガスを試料室１１の内部に導入して所定圧力に保持する他に、排気ポンプ（１）の排気速度を調整し、所定圧力に保持するようにしてもよい。更に、両者で所定圧力になるように調整してもよい。

オリフィス６は、試料室１１と２次電子検出器４との間であって、対物レンズ３１の強磁場域３１に設け、図２で後述する２次電子軌道２１を遮断しない小さな円形の少なくとも２段の絞りであって、排気ポンプ（２）で差動排気するためのものである。ここでは、
・試料室１１は、１０−２〜１００パスカル（バルブ１６，１７あるいは排気ポンプ（１）の排気速度あるいは両者で低真空を調整）
・２次電子検出器４の部分は、１０−２〜１０−４パスカル
にそれぞれ保持するように、排気ポンプ（１）、排気ポンプ（２）で排気している。

排気ポンプ（１）は、試料室１１を大気中から１００〜１０−２パスカル程度に真空排気する公知のオイルフリーのドライポンプ（例えばターボモレキュラーポンプ）である。

排気ポンプ（２）は、２次電子検出器４の周囲の領域を真空排気（例えば１０−２〜１０−４パスカル程度）するポンプであって、オイルフリーのポンプであり、例えば公知のターボモレキュラーポンプ（ＴＭＰ）などである。

排気ポンプ（３）は、電子銃１を真空排気（例えば１０−６パスカル以下）するポンプであって、オイルフリーのポンプであり、例えば公知のスパッタイオンポンプなどである。

次に、図２を用いて図１のオリフィス６の構造について詳細に説明する。尚、図１は、２段のオリフィスの例を示し、図２は３段のオリフィスの例を示し、段数が多くなるに従い、差動排気の段数が増し、試料室１１と２次電子検出器４が配置された領域との間の真空圧力差を大きくすることができる。

図２は、本発明のオリフィス例（３段）を示す。
図２の（ａ）は、オリフィス例（３段）の構造図およびその説明図を示す。太線で示したオリフィス６および点線で示したバイパスの排気部分には、差動排気するバイパスの排気部分（排気パイプ）を設けているが、当該バイパスする排気部分を無くし、３つの絞りを設けた円筒にしてもよい（この場合には、３つの絞りの穴を経由して各絞りと絞りとの間の領域が排気（差動排気）されることとなる）。

図２の（ａ）において、２次電子軌道２１は、電子線ビームを細く絞って試料１２を平面走査したときに当該試料１２から放出された２次電子が対物レンズの図２の（ｂ）のような強磁場３１の作用により、螺旋を描きながら２次電子検出器４の前部に印加された正の高電圧によって吸引される軌道の例（軌道の最外側の例であって、試料１２から放出される２次電子の角度、速度で決まる軌道のうち、最外側の例）を模式的に示す（試料１２から放出された２次電子は、螺旋しながら２次電子検出器４に向けて走行するが、ここでは、分かり易くするために、螺旋する状態を省略して模式的に示す）。

図示の２次電子軌道２１内を、試料１２から放出された２次電子は走行して２次電子検出器４に衝突して検出・増幅されるので、当該２次電子軌道２１を遮断しない直径を持つ円形の絞りをオリフィス６の各絞りと決定する必要がある。対物レンズ３の磁場が強いほど、３次電子軌道２１の直径は小さくなり、通常、試料１２の近傍の場所では２次電子軌道２１の直径は大きく、対物レンズ３の磁場のほぼ中央の最強磁場の場所では２次電子軌道２１の直径は最小となり、２次電子検出器４の近傍の場所では２次電子軌道２１の直径は大きくなる。

従って、図示の２次電子軌道２１を遮断しないように、オリフィス６の各絞りの場所と直径を決める必要がある。

試料室１１と２次電子検出器４との間の差動排気を効率的に行うには、第１に、対物レンズ３の最強磁場の場所で最小の直径の絞りを入れることが可能なので、この部分に１つの絞りを入れることが適切である（尚、３段の絞りの間の各領域をバイパスする排気部分を設けない場合には、各絞りの穴を経由して排気するので、３段の中央の絞りの穴の直径を余り小さくすると反って３段でも全体の圧力差を大きく取れないので、適切な直径を実験で求める必要がある）。

そして、試料室１１に近い方では、試料室１１や対物レンズ３の下極の構造などを考慮し、２次電子軌道２１を遮断しない直径の絞りを配置する。

同様に、２次電子検出器４に近い側にも２次電子軌道２１を遮断しないで、対物レンズ３の上極、他の部品などを考慮して最適な直径の絞りを配置する。

図２の（ｂ）は、対物レンズ３の磁場例を示す。図示の磁場例は、対物レンズ３の軸方向の磁場の強さを模式的に表す。対物レンズ３の上極と下極のほぼ中央が最も強い磁場の場所となる。

尚、実験では、第１図の２段のオリフィス６として、直径０．７ｍｍと直径１．０ｍｍの２つの絞りを用いた場合、試料室１１の圧力５０パスカル、２次電子検出器４の領域の圧力０．０１パスカルが得られ、試料１１（マスク）のチャージアップのない、コンタミの無い２次電子画像を表示し、試料１１（マスク）の寸法を安定かつ高精度に測長できた。

本発明は、磁界型対物レンズの高磁場によって電子線ビームを細く絞って低真空中に配置した試料に照射しつつ平面走査すると共に高磁場による２次電子軌道の絞り込みが行われる場所に２段以上の可及的に小さなオリフィスを配置して２次電子を高真空側に設けた２次電子検出器に高効率に導いて高Ｓ／Ｎで検出して画像を形成し、試料のパターンなどを高精度に測長する寸法測長装置に関するものである。

本発明の１実施例構造図である。 本発明のオフィス例である。

符号の説明

１：電子銃
２：コンデンサレンズ
３：対物レンズ
４：２次電子検出器
５：２次電子
６：オリフィス
１１：試料室
１２：試料
１３，１４：ステージ
１６，１７：バルブ
１５：ガス源
２１：２次電子軌道

Claims (5)

1. 電子線ビームを高磁場によって細く絞って低真空の試料室内に配置した試料に照射しつつ平面走査し、放出された２次電子を検出して試料の寸法の測長を行う寸法測長装置において、
   電子線ビームを高磁場で細く絞って低真空の試料室内に配置した試料に照射しつつ平面走査する磁界型対物レンズおよび偏向系と、
   前記電子線ビームによって照射された試料から放出された初速度で走行する２次電子を、前記磁界型対物レンズを構成する高磁場あるいは漏洩した高磁場により当該高磁場の軸上に螺旋を描いて収束しかつ初速度で走行する当該２次電子について、当該磁界型対物レンズの高磁場による前記試料から放出された２次電子の２次電子軌道の絞り込みが行われる場所に配置し、かつ２次電子を遮断しない可及的に小さな直径を持つ２段以上のオリフィスと、
   前記２段以上のオリフィスに対向して配置して中心に前記電子線ビームを通過する穴を設け、かつ前記２段以上のオリフィスを回転しながら試料室側から通過した２次電子を加速する正の電圧を印加して、あるいは正の電圧を印加した電極を設けて、加速された２次電子を衝突させて検出・増幅する２次電子検出器と
   を備えたことを特徴とする寸法測長装置。
2. 前記２次電子検出器で検出した信号をもとに試料の２次電子画像を生成し、当該２次電子画像をもとに試料の測長を行う画像処理系を備えたことを特徴とする請求項１に記載の寸法測長装置。
3. 前記試料室の低真空を１０−２パスカルから１００パスカルの範囲内に調整する、気体導入手段あるいは真空排気制御手段を備えたことを特徴とする請求項１あるいは請求項２記載の寸法測長装置。
4. 前記ガスを、空気、窒素、酸素のいずれかとしたことを特徴とする請求項３に記載の寸法測長装置。
5. 前記２次電子検出器の領域を、１０−２パスカル未満に排気する真空排気系を設けたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の寸法測長装置。

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