JP5094612B2 - 試料保持装置、及び、荷電粒子線装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子線装置における試料保持装置に関する。

荷電粒子線を用いて半導体ウェハを加工する装置、または半導体ウェハ上の回路パターンを検査する装置は、被加工物または被検査物である半導体ウェハを保持する装置を有している。

回路パターンを検査する装置の一例として、電子ビーム測長機がある。これは、半導体ウェハ上に作り込まれた回路パターンの幅や位置を測定するもので、荷電粒子線として電子ビームを用い、電子ビームプローブ，画像処理装置，試料ステージ等から構成されている。この電子ビーム測長機においては、電子ビームによって回路パターンの素子を損傷させることなく、所望の精度，分解能で回路パターンの幅や位置を測定するために、半導体ウェハに電圧を印加して電子ビームの照射エネルギー強度を制御している。この電圧の印加をリターディングと呼ぶ。この技術は、例えば、特許文献１や特許文献２に記載されている。リターディングにより半導体ウェハ上方空間に発生した電界を半導体ウェハ全面について均一化し、ビームシフトを軽減させる方法として、半導体ウェハ外周に電界を均一化する電極を設ける方法がある。電極は半導体ウェハ表面とほぼ等しい高さの導体板であり、半導体ウェハとの隙間は微小である。電界を均一化する電極の効果は、特許文献３に詳しく記載されている。

特開平２−１４２０４５号公報 特開平５−２５８７０３号公報 特開２０００−１４９８４５号公報

近年の半導体デバイスの高集積化及び微細化に伴い、検査装置の高分解能化の要求が高まっている。また、歩留まり向上のため、半導体ウェハの外周縁部、すなわちエッジベベル部の観察が必要とされている。そのため、半導体ウェハ表面の電界均一化の仕様が一層厳しくなっており、従来の技術では、補いきれないという問題がある。また、半導体ウェハまたは試料を保持する装置、これを搭載する試料ステージ、及びこれらを備える試料室内部の構造や材質によっては、電界均一化を妨げる要素も含んでおり、試料の観察する位置に依存して、局所的に電界が乱れる場合がある。この場合、従来技術のように、半導体ウェハに印加されているリターディングと同電位を印加しても、電界均一化の十分な効果が得られず、電界の不均一により電子ビームが曲げられて所望の位置を照射できなかったり、分解能が低下してしまう可能性がある。

本発明は、試料の端部の電界乱れを補正できる試料の保持装置を提供し、電界の不均一による電子ビームへの影響を防止し、分解能の低下を防ぐ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。

本発明の実施態様によれば、試料に荷電粒子線を照射し発生する二次信号から画像を生成する荷電粒子線装置に用いられる試料保持装置において、試料が載置される面に設けられた複数の電界補正電極と、荷電粒子線を減速させるリターディング電圧を試料へ印加するリターディング電圧印加用ケーブルとを備え、試料の画像に基づいて電界補正電極へ印加される電圧が調整されることを特徴とする。

本発明によれば、試料の端部の電界乱れを補正できる試料の保持装置を提供し、電界の不均一による電子ビームへの影響を防止し、分解能の低下を防ぐことができる荷電粒子線装置を得ることができる。

以下、図面を用いて、本発明の実施例を説明する。

荷電粒子線装置として、荷電粒子線に電子ビームを用いた走査電子顕微鏡を例にとり説明する。図１は、本発明の走査電子顕微鏡の全体構成を概略的に示す構成図である。図１において、走査電子顕微鏡は、電子銃１で発生された電子ビーム３１を試料１７に照射し、試料１７で発生する二次電子１６等の信号を検出器１５で検出し、画像化する機能を有している。

電子銃１は、電子源２，引出電極３，加速電極４を備え、電子源２と引出電極３の間には、電子銃電源５により引出電圧が印加され、この引出電圧によって電子源２から電子ビーム３１が引き出される。電子ビーム３１の光路上には、電子ビーム３１を試料１７に集束させる機能を有する、集束レンズ制御電源６により駆動される第１集束レンズ７と第２集束レンズ８、及び、対物レンズ制御電源２３により駆動される対物レンズ９とが配置されている。

アース電位に維持された加速電極４と電子源２との間には、電子銃電源５により加速電圧が印加されており、電子ビーム３１はこの加速電圧によって加速される。加速された電子ビーム３１は、第１集束レンズ７によって、第１集束レンズ７と第２集束レンズ８との間に第１クロスオーバ点１３が生じるように集束される。また、第１クロスオーバ点１３と第２集束レンズ８との間に設置された絞り１２によって、電子ビーム３１のエネルギー分布のうち周辺の不要な領域が除去される。さらに、この電子ビーム３１は、第２集束レンズ８によって、第２集束レンズ８と対物レンズ９との間に第２クロスオーバ点１４が生じるように集束される。さらに、この電子ビーム３１は、対物レンズ９によって、試料１７に集束される。

電子ビーム３１の第２クロスオーバ点１４と対物レンズ９との間には、電子ビーム走査用偏向器１１が配置されている。この電子ビーム走査用偏向器１１は、集束された電子ビーム３１で試料１７を二次元的に走査できるように電子ビーム３１を偏向させるためのものである。電子ビーム走査用偏向器１１の走査幅は、観察倍率に応じて決定される。また、走査速度，偏向方向は、偏向制御電源２１により制御される。試料１７には、試料保持装置１９を介して電子ビーム３１を減速させるリターディング電圧としての負の電圧が、リターディング可変減速電源２６によって印加される。リターディング電圧の値は、リターディング可変減速電源２６を調整することにより任意に変えることができる。

試料１７は、試料ステージ２０上に搭載した試料保持装置１９に固定されている。試料ステージ２０は、ステージ駆動制御装置２４によって駆動される。試料保持装置１９には、試料１７の外周を囲うように、複数の電界補正電極１８が取り付けられている。この電界補正電極１８は、試料保持装置１９と電気的に絶縁されて取り付けられており、電界補正制御電源２５によって電界補正のための電圧が印加される。

集束された電子ビーム３１によって試料１７が照射され走査されると、試料１７から二次電子１６が発生する。発生した二次電子１６は、検出器１５により検出され、信号アンプ２２で増幅される。増幅された検出信号は、制御演算装置２７を通じて描画装置２８に入力され、描画装置２８において可視信号に変換されて、試料像表示装置２９に試料１７の表面形状が画像として表示される。走査電子顕微鏡のオペレータは、入力装置３０を介して、上述の各ユニットの制御を行ったり、測定点の指定や寸法測定の指示を行ったりすることができる。

図２は、電界補正電極を有した試料保持装置の平面図である。試料保持装置１９には、試料１７を搭載し、その周囲を覆うように、絶縁材料を介して複数の電界補正電極１８が取り付けられている。また、試料１７の位置決め、または固定のため、ピン５０が設けられている。さらに、試料保持装置１９には、リターディング電圧を印加するためのケーブル５２が配線され、リターディング可変減速電源２６に接続されている。電界補正電極１８は複数あり、それぞれには、電圧印加のためのケーブル５１が配線され、電界補正制御電源２５に接続されている。

図３は、電界補正制御電源２５の回路構成図である。この実施例では、説明の簡略化のために、４個の電界補正電極１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄの場合を示している。電界補正制御電源２５には、電極に１対１に対応して可変の電界補正用電源６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄを備え、それぞれの電源の出力電圧は制御演算装置２７にて制御される。

図４は、電界補正制御電源２５の回路構成図であり、図３に対して別の実施例を示している。この実施例では、２個の電界補正用電源６０ａ，６０ｂにより、４個の電界補正電極１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄに出力電圧を与える。２個の電界補正用電源６０ａ，６０ｂと４個の電界補正電極１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄとの間に電界補正電極切り替えスイッチ６１ａ，６１ｂが設けられ、電界補正用電源６０ａ，６０ｂの出力電圧と、印加すべき電界補正電極の選択を制御演算装置２７にて制御する。試料１７の観察位置は局部的なので、常に試料１７の全面にわたって電界補正電極１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄに電圧を印加する必要はない。したがって、試料１７の観察位置に近い電界補正電極１８が選択されて、電圧が印加される。本実施例によれば、電界補正用電源を電界補正電極の数よりも少なくできるので、コストの削減になる。さらに、電極と電源とが１対１の場合は、全ての電圧を同一に揃えるのは困難であるが、本実施例では、同一の電圧を複数の電極へ与えるので、電極の効果を同一に揃えることが可能になる。

図５は、電界補正制御電源２５の回路構成図であり、図４に対してリターディング可変減速電源２６を加えたものである。リターディング可変減速電源２６で出力したリターディング電圧に対して正側と負側の両極性を有する電界補正用電源６０ａ，６０ｂを使用する。この実施例では、図４，図５で示した実施例の可変電源よりも、出力電圧範囲が小さい可変電源が使用可能である。

電界補正方法について、以下説明する。図６は、試料として半導体ウェハを用いた場合の試料保持装置の平面図であり、試料保持装置１９に試料１７を実装し、試料保持装置１９と電界補正電極１８の両方にリターディング電圧を印加する。図上の破線は、試料１７の表面の電界の等高線を示している。試料１７の中央付近は、リターディング電圧と同電位で均一な電界分布であるが、試料１７の周縁部付近では電界の乱れが見える。この乱れの様子は、必ずしも全周で同じわけではない。さらに、試料１７を固定するためのピン５０付近の電界の乱れが特に顕著に現れる場合がある。このような場合、前述の特許文献３（特開２０００−１４９８４５号公報）に示されているように、導体板にリターディング電圧と同電位の電圧を印加しても、電界の均一性は確保できない。このような場合は、試料位置に応じて電界補正を行う必要がある。

電界補正処理の手順の実施例を、図７，図８及び図９を参照して説明する。電界補正処理は、調整段階と実際の試料観察段階の２段階で行う。図７は、調整段階での電界補正制御の手順を示すフローチャートである。調整段階では、図７に示す手順で、電界補正電極１８に印加すべき電圧を、試料１７の観察位置と電界補正電極１８への印加電圧のマップ形式で求める。図８は、試料として半導体ウェハを用いた場合の試料保持装置の平面図であり、試料１７の観察位置のうち外周縁部を、多数のメッシュ状の観察エリア８００に分割する。外周縁部で、電界の乱れが半径方向に急峻な場合には、観察エリア８００をさらに細分化すれば、電界補正の精度が向上する。また、分割の形状は、四角形に固定されず、三角形等、演算に適した形状にすればよい。

図７に戻り、はじめに、調整用試料を試料室にローディングする（ステップ７０１）。調整用試料は、試料ステージ２０の上に設置された試料保持装置１９に搭載される。調整用試料の外周縁部に、調整用マークが刻まれている。次に、調整用マークが観察可能な位置に試料ステージ２０を移動する（ステップ７０２）。次に、オペレータが試料像表示装置２９で調整用マークを正しく観察できるように、電界補正電極１８への印加電圧が調整される（ステップ７０３）。このとき、試料位置によっては、１つ以上の電界補正電極１８の印加電圧の調整が必要になる。例えば、電界補正電極が分割されている付近などでは、分割部の両側の電界補正電極１８の印加電圧を調整する必要がある。次に、観察エリアの試料上の位置と、調整で求めた電界補正電極への印加電圧とが、電界補正マップへ記録される（ステップ７０４）。次に、観察エリア８００の分割数全てについて、上記ステップ７０２からステップ７０４を実施したかどうかを判断し（ステップ７０５）、全観察エリアについて終了したならば、調整用試料を装置から排出する（ステップ７０６）。

表１は、電界補正マップの一例である。表１に示す例では、観察エリア数がＮ個、電界補正電極数がＭ個の場合に、それぞれ番号をつけ、観察エリアの番号、このとき電圧を印加した電界補正電極１８の番号、１つ目の電界補正電極への印加電圧Ｖｃ１の値，２つ目の電界補正電極への印加電圧Ｖｃ２の値を記録する。なお、１つの観察エリアで調整に使用した電界補正電極１８が１つだけの場合、表１の観察エリアＮo.１の行に示すように、印加電圧Ｖｃ２を０Ｖに設定すればよい。また、１つの観察エリアで調整に使用した電界補正電極数が３つ以上になる場合には、その電界数に応じて、Ｖｃ３，Ｖｃ４と印加電圧データを追加すればよい。このデータは制御演算装置２７へ保存しておく。

図９は、実際の試料観察段階の電界補正制御の手順を示すフローチャートである。観察対象の試料１７を試料室にローディングする（ステップ９０１）。試料１７は、試料ステージ２０上の試料保持装置１９に搭載される。次に、試料１７上の観察位置に試料ステージ２０を移動させる（ステップ９０２）。移動させた後に、試料１７の観察位置が、どの観察エリア８００に属するかを求める（ステップ９０３）。これは、観察位置の座標と観察エリア８００の座標とを付き合わせることによって求められる。求められた観察エリア８００の番号について、図７に示した調整段階で求めた電界補正マップを用いて、電界補正電極１８の番号、印加電圧Ｖｃ１，Ｖｃ２を求める（ステップ９０４）。そして、求められた電界補正電極１８へ印加電圧を印加する（ステップ９０５）。試料１７の所望の観察が終了したかどうかを判断し（ステップ９０６）、終了ならば観察用の試料１７を排出する（ステップ９０７）。観察を継続する場合は、再びステップ９０２からの処理を実施する。図７に示した調整段階では、オペレータが画像を見ながら調整する必要があるが、実際の試料観察段階では、ステップ９０３からステップ９０５の処理を自動で行うようにすることができ、オペレータの負担を軽減することができる。

以上述べたように、本発明の実施例によれば、複数の電界補正電極のうち必要な電極に印加される電圧を、オペレータが画像を確認しながら調整し、その結果を一覧表にして保存し、実際に観察する試料の場合に、観察位置の電界が自動的に補正されて観察画像が取得されるので、電界の不均一による電子ビームへの影響を防止し、荷電粒子線装置の分解能の低下を防ぐことができる。

走査電子顕微鏡の全体構成を概略的に示す構成図。 電界補正電極を有した試料保持装置の平面図。 電界補正制御電源の回路構成図。 電界補正制御電源の回路構成図。 電界補正制御電源の回路構成図。 試料として半導体ウェハを用いた場合の試料保持装置の平面図。 調整段階での電界補正制御の手順を示すフローチャート。 試料として半導体ウェハを用いた場合の試料保持装置の平面図。 実際の試料観察段階での電界補正制御の手順を示すフローチャート。

符号の説明

１ 電子銃
２ 電子源
３ 引出電極
４ 加速電極
５ 電子銃電源
６ 集束レンズ制御電源
７ 第１集束レンズ
８ 第２集束レンズ
９ 対物レンズ
１１ 電子ビーム走査用偏向器
１２ 絞り
１３ 第１クロスオーバ点
１４ 第２クロスオーバ点
１５ 検出器
１６ 二次電子
１７ 試料
１８ 電界補正電極
１９ 試料保持装置
２０ 試料ステージ
２１ 偏向制御電源
２２ 信号アンプ
２３ 対物レンズ制御電源
２４ ステージ駆動制御装置
２５ 電界補正制御電源
２６ リターディング可変減速電源
２７ 制御演算装置
２８ 描画装置
２９ 試料像表示装置
３０ 入力装置
３１ 電子ビーム
５０ ピン
６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄ 電界補正用電源
６１ａ，６１ｂ 電界補正電極切り替えスイッチ

Claims (8)

1. 試料に荷電粒子線を照射し発生する二次信号から画像を生成する荷電粒子線装置に用いられる試料保持装置において、
   前記試料が載置される面に設けられた複数の電界補正電極と、
   前記荷電粒子線を減速させるリターディング電圧を前記試料へ印加するリターディング電圧印加用ケーブルとを備え、
   前記試料の画像に基づいて前記電界補正電極へ印加される電圧が調整されることを特徴とする試料保持装置。
2. 請求項１の記載において、前記電界補正電極へ印加される電圧は、前記複数の電界補正電極の中から選択された電界補正電極へ印加されることを特徴とする試料保持装置。
3. 請求項１の記載において、前記電界補正電極に印加される電圧の印加経路と、前記リターディング電圧の印加経路とは電気的に絶縁されていることを特徴とする試料保持装置。
4. 試料に荷電粒子線を照射し発生する二次信号から画像を生成する荷電粒子線装置において、
   前記試料が載置される面に設けられた複数の電界補正電極と、前記荷電粒子線を減速させるリターディング電圧を前記試料へ印加するリターディング電圧印加用ケーブルとを有する試料保持装置、
   前記電界補正電極へ電圧を印加する電界補正制御電源、
   前記リターディング電圧を前記試料へ印加するリターディング可変減速電源、
   前記画像を表示する試料像表示装置を備え、
   該試料像表示装置に表示された前記試料の画像に基づいて前記電界補正制御電源から印加される電圧が調整されることを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 請求項４の記載において、前記電界補正電極へ印加される電圧は、前記複数の電界補正電極の中から選択された電界補正電極へ印加されることを特徴とする荷電粒子線装置。
6. 請求項４の記載において、前記電界補正電極に印加される電圧の印加経路と前記リターディング電圧の印加経路とは電気的に絶縁されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
7. 請求項４の記載において、前記試料の観察する位置および当該位置に対して前記試料の画像に基づいて予め調整されている前記電圧に応じて、電圧が印加される前記電界補正電極の選択と、該選択された電界補正電極へ印加される電圧の制御を行うことを特徴とする荷電粒子線装置。
8. 請求項４の記載において、前記電界補正電極へ印加される電圧は、前記試料の観察する位置において電界が均一化するように予め設定された電圧の値であることを特徴とする荷電粒子線装置。

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