JP5127411B2 - 走査型電子顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、走査型電子顕微鏡に関し、特に、特徴の異なる複数種の画像を自動フォーカス調整する走査型電子顕微鏡に関する。

半導体デバイスの歩留まり向上には検査工程は欠かせなく、歩留まり低下の原因を突き止めて生産効率を向上させるには、ウェーハの異常を検査し、特定するための電子顕微鏡はもはや必要不可欠なものとなっている。また、効率のよい検査のためには検査のスピード向上が必須であり、短時間で数多くのポイントを検査可能であることが望まれている。

その要素の一つとして、電子顕微鏡における画像のフォーカスを調整する自動焦点調整機能は、鮮明な画像を撮像するためには必須の機能で有り、これは以下に示す特許文献１に記載の方法を初めとした、精度のよい自動調整を行う方法が試みられている。上記特許文献１に記載のフォーカス自動調整機能は、焦点を変化させながら複数枚の画像を取得し、それらの画像の高周波レスポンスを算出し、もっともレスポンスが大きくなる焦点位置を算出し、自動調節を行う方法が記載されている。

特開２００５−３３２５９３号公報

半導体ウェーハの場合、デバイスの動作不良となる異物、欠陥にはさまざまな種類があるが、パターンのエッジなどのような比較的観察しやすいものから、薬品の除去残りのような高さのないしみ状の異物、あるいは研磨加工時に生じる引っかき傷のような薄い凹凸、あるいは薄膜を形成するときに、すでにウェーハ上に異物が含まれている上に薄膜を形成することから生じる薄い半球状の凹凸など、観察を行い難いものまで存在する。

このような異物、欠陥を検査する顕微鏡を含めた装置には複数の検出器を用いて物理特性の異なる複数の画像を取得可能なものが存在し、異物、欠陥の特徴にあわせて画像を撮像することが行われている。

しかし、各検出器の画像にしか写らない異物、欠陥が複数種類存在する場合、前記の自動調整機能では対応できない場合が存在する。

一例として、以下の場合を考える。図１は、電子顕微鏡の概略断面図であり、説明に必要な部分のみを記載している。本図中の符号１２２〜１２３は検出器であり、この検出器は、１０１の電子銃から電子をウェーハに照射し、発生した２次電子や反射電子を検出する役目をもつ。この検出器の検出した信号を、電子銃からの電子ビームのスキャンと、像を確認するためのモニタ１１７のスキャン信号と同期させることで像を確認することができる。

一般に、電子ビームの照射によって試料から発生する２次電子は、エネルギーが５０ｅＶ以下の電子として定義され、試料によって発生効率が異なり、画面上では白黒の濃淡で表現される。また、パターンのエッジのような角の部分では、同じ物質でも他の平面上の部分よりも２次電子量の発生が多いという特徴をもつ。一方、電子ビームの照射によって試料から発生する反射電子は、エネルギーが５０ｅＶ以上の電子として定義され、照射された材料の形状を反映する性質があり、検出器の設置方向によって収量が変化する。たとえば浅い穴の部分については検出器に面した部分は明るく写り、検出器に反する部分は暗く写る。この性質を利用し、たとえば検出器を向かい合わせの方向に設置することで、影のつき方が相異なる１対の陰影像を取得することができる。試料から発生する２次電子や反射電子の挙動は物理的条件や試料から検出器までの電界によって様々に変化するので、それぞれの検出器で２次電子と反射電子とを分別して検出することは困難であるが、検出器の配置や電界の制御によって、ある程度の収率を満たすことは可能である。

従来、焦点調整を行う場合には、２次電子検出器で捕捉した２次信号から生成された画像、または反射電子検出器で捕捉した２次信号から生成された画像のいずれかを使用して、フォーカス調整を行っていた。ただし、この場合すべての場面で適切な自動調整を行うことが難しい場合がある。たとえば、パターンが何もないところに厚みの無いしみ状の異物が含まれる場合と、高低差の小さい凹凸が含まれる場合を考える。前者は２次電子像にはよく写り、逆に厚みがないため反射電子像にはほとんど写らない。一方、凹凸は反射電子像にはよく写るが、２次電子像には材料の違いもなく、エッジも含まれないため、よく映らない。このため、２次電子を検出する検出器による画像（以下、２次電子像とする）で検出を行うと、反射電子を検出する検出器による画像（以下、反射電子像とする）に写る欠陥を含む画像の場合、自動調整が正しく行えず、フォーカスがボケた画像になる場合がある。逆の場合も同様である。異物の周囲に回路パターンなどが含まれる場合、その画像を手がかりに調整することができるが、周囲に何もない場合ではそれを行うことができない。

上述のように、特定の検出器でしか撮像できない異物、またはパターンがそれぞれ独立に含まれる場合、一つの検出器の画像では正確な自動フォーカス調整を行うことができないという問題があった。

本発明の目的は、特定の検出器にしか写らないパターンや異物が複数独立に含まれる場合にも安定して自動フォーカス調整を実行することができる技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の実施態様は、電子線を試料に照射して試料から発生する二次信号を検出する複数の検出器と、該検出器で得られた信号を合成する演算手段とを備えた走査型電子顕微鏡であって、検出器のうちの少なくとも２つは電子線に対して軸対称に配置されており、検出器の中から選択された少なくともひとつの検出器の信号または合成した信号に基づいて電子線の焦点を調整する焦点調整手段を備えたものである。

また、電子源から放出された電子線を試料上に収束させる電子レンズと、前記電子線の照射によって試料から発生した二次信号を検出する検出器であって、所定の間隔をおいて設けられた一対の第１および第２の検出器と、第３の検出器と、試料に対する電子線の焦点を複数回変化させ、それぞれの焦点において第１、第２、および第３の検出器で検出された二次信号から第１、第２、および第３の二次信号データを生成し保存する保存手段と、それぞれの焦点における第１、第２、および第３の二次信号データについて演算処理を行うデータ演算手段と、第１、第２、および第３の検出器のうちの少なくともいずれかひとつの検出器を選択する検出器選択手段と、検出器選択手段によって選択された検出器に対して、電子線の焦点を変化させて二次信号データを生成し、該生成した二次信号データに対して所定のデータ変換処理を施して得られた強度信号に基づいて変化させたそれぞれの焦点における二次信号データの評価値を求め、該評価値に対応するフィッティング関数を決定し、評価値とフィッティング関数との誤差を算出し、該誤差が所定の基準範囲内である場合は、フィッティング関数のピーク値を与える焦点を用いて、試料に対する電子線の焦点を調整し、該誤差が所定の基準範囲外である場合は、検出器選択手段により選択された検出器とは別の検出器を選択し、該別の検出器に対する評価値とフィッティング関数との誤差を算出し、該誤差が所定の基準範囲に入る焦点を用いて、試料に対する電子線の焦点を調整する焦点調整手段とを有する構成としたものである。

本発明により、特定の検出器にしか写らないパターンや異物が複数独立に含まれる場合にも安定して自動フォーカス調整を実行することができる。

以下、図面を用いて、本発明の実施態様を説明する。

図１に、走査型電子顕微鏡を示す。電子銃１０１、レンズ１０２、偏向器１０３、対物レンズ１０４、試料台１０６、レンズ制御回路１１０、偏向制御回路１１１、対物レンズ制御回路１１２、アナログ／デジタル変換器１１３、アドレス制御回路１１４、画像メモリ１１５、制御手段１１６、ディスプレイ１１７、コンピュータ１１８、画像処理手段１１９、キーボード１２０、マウス１２１、二次粒子検出器１２２、反射電子検出器対１２３、移動ステージ１２４の入力手段等で構成されている。その他、１０５は試料、１０７は電子ビーム、１０８は二次電子、１０９は反射電子を示す。なお、図では真空に維持するためのカラムは省略されている。反射電子検出器対１２３は双対な陰影像を撮像するために互いに直線上に、向かい合わせの位置に設置されているが、配置は図の場合に限定しない。

電子銃１０１から放射された電子ビーム１０７はレンズ１０２で収束され、偏向器１０３で２次元的に走査偏向されたのち、対物レンズ１０４で収束されて試料１０５に照射される。試料１０５に電子ビーム１０７が照射されると、試料の形状や材質に従った二次電子１０８や反射電子１０９が発生する。これら２次電子１０８や反射電子１０９を検出器１２２または１２３で検出、増幅し、アナログ／デジタル変換器１１３でデジタル値に変換する。検出器対１２３からの信号は、反射電子像であるＬ像およびＲ像の形成に用いられ、検出器１２２からの信号は、２次電子像であるＳ像の形成に用いられる。デジタル値に変換されたデータは画像メモリ１１５に記憶される。この時の画像メモリ１１５のアドレスとして、アドレス制御回路１１４が電子線の走査信号に同期したアドレスを生成する。また、画像メモリ１１５は、記憶したＳＥＭ像の画像データを随時、コンピュータ１１８に転送する。コンピュータ１１８では、画像からフォーカスの評価値の算出、評価値への関数フィッティング、フィッティング関数のピーク算出を行い、フォーカス調整信号を対物レンズ制御回路１１２に送り、対物レンズを制御してフォーカスを調整する、などの処理を行う。また、１１２では、オートフォーカス処理において、焦点の位置を調整しながら画像を撮像する際のフォーカス調整にも使用される。

走査型電子顕微鏡で観察される試料１０５は、試料台１０６によって保持されている。また、移動ステージ１２４は制御装置１１６からの制御信号により試料台を２次元的に平行移動させることができ、それにより試料１０５に対する電子ビーム１０７が走査する位置を変えることができる。

図２は本実施例１のフローチャート、図３は自動フォーカス機能の動作内容を設定するＧＵＩを示す図である。ステップ２０１から２１０の手順に従い、フォーカス調整を実施する。初めにステップ２０１で画像撮像を行う検出器を決定する。このとき、使用者は、図３に示す画面３０１のようなＧＵＩから検出器を選択できる。ＧＵＩの形式は特に画面３０１の形式に限定しないが、領域３０２のような説明文を設け、ボタン３０３，３０４，３０５のように、複数の候補から検出器をクリックで選択できる方法が簡便である。また、以降の実施例で後述する検出器の自動選択も、この時点で選択肢の一つとして設定しておくのが望ましい。図３中では、ボタン３０６、ボタン３０７が該当する。次にステップ２０２において、焦点の位置をずらしながら、各焦点位置で選択した検出器の画像を撮像する。この工程で、フォーカスの状態が徐々に変化する画像セットを得ることができる。次に、ステップ２０３でフォーカスの状態を評価する評価値を算出する。

評価値は画像の微分値を元に算出する。パターンエッジなどがわかりやすいが、フォーカスがあった状態では、ボケた状態に比べ、画像の輪郭部などで濃淡の変化量が大きい。このことから、画像を微分した後の画素値の合計を計算し、その値を評価値とする。評価値が最大となるところが、合焦点位置に等しいと考えられる。

この評価値について、図５に示すような評価値を縦軸、取得位置（焦点位置（Ｚ））を横軸としたグラフを考えた場合、合焦点位置での評価値を最大とした曲線で近似することが可能である。なお、このときの曲線、すなわちフィッティング関数には、放物曲線、多項式曲線などが用いられる。このため、評価値のデータに上記フィッティング関数を当てはめる、そのピーク位置から合焦点位置を見つけることができる。

このとき、算出したフィッティング関数について、元データとの乖離を評価し、算出したフィッティング関数と、元データとの誤差が大きくなければ合焦点位置の算出に耐えうるデータと判定でき、フィッティング関数のピーク位置を求めて合焦点位置に焦点を調整するための対物レンズの制御量を算出することができる。

もし、誤差が大きい場合、フィッティング関数との乖離が大きいため、正しいピーク位置を算出できない場合がある。たとえば、同じ場所で一方の検出器では画像のＳ／Ｎが十分であり、もう一方の検出器ではＳ／Ｎが十分でない場合を考える。前者の場合、評価値のグラフは図４に示すようになる。このグラフの横軸はフォーカス位置、縦軸は評価値であり、黒丸４０１は各画像から評価値をプロットしたものである。Ｓ／Ｎが十分な場合、一定のフィッティング関数４０２に従うため、フィッティング関数のピーク位置を求めることで、ジャストフォーカス位置を正しく算出することができる。しかし、検出器の選択が適切でなく、パターンなどのＳ／Ｎが良好でない後者の場合はノイズ成分が多くなり、白丸５０１のように評価値が正常な場合の黒丸４０１に比べて誤差の大きい値となる。この状態でフィッティングを行っても、正しいジャストフォーカスを示すフィッティング関数４０２のピーク位置４０３を指さず、ピーク位置５０３のように誤った位置をピークとして判定しやすい。

このように、規定のフィッティング関数でフィッティングを行い、その関数と評価値との誤差が、選択した画像が自動フォーカス調整に適しているかの一定の指針となる。一定誤差以下のデータの場合にはステップ２０７に移動し、同じデータを用いて焦点位置の算出を行う。不適の場合にはステップ２０５に移り、もしこの時点ですべての検出器の画像でステップ２０４までのフローを実行しており、それでもなお、フィッティング関数との誤差の少ないデータが得られない場合は、さらにステップ２０９に移りフォーカスの算出を行わずに対物レンズなどの状態を開始前の状態に戻し、ステップ２１０に移動して自動フォーカス調整処理を終了する。この処理は、それまでで一番誤差が少ない検出器のデータを用いてステップ２０７に移り、算出を行う処理にすることもできる。この処理は必ずしもすべての検出器について行う必要は無い。すべての検出器の画像で計算を行っていない場合、ステップ２０６に移動し、検出器を別のものに変更し、ステップ２０２に戻って再度画像取得を行う。

ステップ２０７でピーク位置を算出したのちにステップ２０９に進み、合焦点位置にフォーカスが調整されるように対物レンズ制御回路１１２に信号を送り、フォーカスを調整する。評価値のグラフのピーク位置、図４に示すピーク位置４０３がジャストフォーカスの位置に相当するため、この位置に相当する制御量を送信する。調整終了後、ステップ２１０に移り、自動フォーカス調整処理を終了する。

図６に本実施例２のフローチャートを示す。基本的には実施例１とほぼ同じであるが、ステップ６０１での検出器決定方法が異なる。この部分は画像を取得する検出器を自動で設定する機能である。図３に示す検出器の自動選択ボタン３０６を選択した場合、オートフォーカスを実行するたびに、そのとき使用した検出器番号をコンピュータ１１８に記憶する。また、ステップ６０１で検出器を設定する際に、その履歴データより、最も実行回数の多い検出器を設定する。これにより、フォーカス調整に有効な画像を的確に選択することができ、効率よくフォーカス調整を行うことができる。その他のステップ６０２から６０６とステップ６０８から６１０の過程は、実施例１の図２のステップ２０２から２０６と、ステップ２０８から２１０と同じのため、詳細説明は省略する。

検出器の切り替えについては上にあげた例に限定せず、一定数同じ検出器で実行されれば、その検出器を標準として判定を行わないようにするなど、確率、統計に基づいた処理を行ってもよい。また、チップ内の座標、チップの位置などウェーハに関する情報、ウェーハの通って来た工程、検査装置などの情報による判定処理を行ってもよい。たとえば、特定の工程を通過したウェーハについて、チップ内の特定の部分では検出器１が有効な場合、その座標範囲では初めから検出器１を設定することで、効率よく自動フォーカス調整を実行できる。また、これらの判定基準となるデータはウェーハ観察中に収集したデータを用いてもよく、あらかじめ用意したデータを用いてもよい、また併用してもよい。また履歴情報は、図３のボタン３０８を設けて、使用者の指定に応じ、消去できる機能を設定しておくこともできる。

これらの処理を使用者が設定する際には、先にあげた図３に示す自動選択ボタン３０６のように、検出器を設定するＧＵＩの領域３０２に設定の一つとして自動設定の項目を設け、設定できるようにすることができる。しかし、これはあくまで一例であり、自動選択ボタン３０６に限らない。たとえばオートフォーカス全体の、またはその他の部分の設定で、図３に示す画面３０９のように、自動設定ボタン３１１を設け、それを選択すると選択に連動して、検出器が上記の処理により自動的に選択されるようにすることができる。また、ＧＵＩには設定項目を表示しないが、領域３０２内の検出器がどれも選択されていない場合には、全ての検出器が自動的に選択されるようにしてもよい。

図７に本実施例３のフローチャートを示す。本実施例では、実施例１、２と異なり、画像をすべて同時に取り込み評価する。ステップ７０２で焦点位置を変化させ、すべての検出器について画像を取得する。すべての検出器について取得する以外は、実施例１のステップ２０２と同様である。次に、ステップ７０３で各検出器について焦点測度を算出し、グラフを作成する。この過程も、検出器ごとに行う以外は実施例１のステップ２０３と同様に行える。このデータを元にステップ７０４で各検出器ごとにフィッティング誤差をコンピュータで１１８計算し、その誤差を元に処理を分岐させる。

分岐処理の詳細を、図８に示す。測定した検出器群８０１のデータから、ステップ８０２で求めたフィッティング誤差データの内、規定誤差以内のデータを選別する。２つ以上ある場合、ステップ８０３のように、もっとも誤差の少ない検出器のデータを選択し、ステップ８０５でフォーカス調整に使用する。この判断基準は、他に規定誤差以内のデータをすべて使用し、グラフの平均をピーク算出に使用するように設定することもできる（ステップ８０４）。規定誤差以内のデータが１つの場合は、そのデータを用いてフォーカス調整を行う。一つも存在しない場合は、ステップ８０６に進み、図７のステップ７０９の該当データが存在しない場合の処理を行う。このように、複数の検出器の画像を同時に選択できる場合は、同時に評価を行うことでフォーカス調整に最適な画像を一回で選択することができる。以降、ステップ７０７から７１０の処理は、実施例１の図２のステップ２０７から２１０と同様であるため、詳細は省略する。

なお、実施例１から３のすべてについて、オートフォーカスの実行前後に、どの検出器でオートフォーカスを実行するか、または実行したかを画面に表示すると、使用者はどのような動作が行われているかわかるため、便利である。図９はその一例を示している。画面９０１の中に、電子顕微鏡の画像が領域９０２に表示され、その領域内のスーパーインポーズ９０３に、オートフォーカスを実行した検出器の情報が表示される。表示される場所は領域９０２の枠内に限らず、枠外に表示してもよい。たとえば、マーク９０４のように、検出器を示すＤ１，Ｄ２，Ｄ３に対応したマークを設置し、該当する検出器が使われた場合にその検出器のマークが点灯するようにしてもよい。この検出器情報の表現手段は一例であり、上記例に限らない。また、別の表示例として、図１０に示すように、スーパーインポーズ１００１，１００２，１００３のように、該当する検出器を連続的に表示してもよい。この表現は、実施例１、２のように段階的に使用する検出器が変わる場合に特にわかりやすい。

以上説明した本発明の実施態様により、特定の検出器でのみ撮像可能な画像が混在する場合に、安定した焦点自動調整を行う目的を、複数の検出器を持つ電子顕微鏡により、フォーカス位置（Ｚ）を変化させながら検出器ごとに画像を撮像し、その一部または複数の画像を用いて段階的に、または同時に評価することで、単一画像での自動フォーカス調整が難しい場合にも、ジャストフォーカス位置を検出することができた。

本発明の実施例１、２、３に示す走査型電子顕微鏡の構成図。 本発明の実施例１の処理内容を説明するフローチャート。 本発明の実施例１、２、３に示す自動フォーカス機能の動作内容を設定するＧＵＩを示す図。 本発明の実施例１の評価値の取る正常プロファイルグラフ。 本発明の実施例１の評価値の取る異常プロファイルグラフ。 本発明の実施例２の処理内容を説明するフローチャート。 本発明の実施例３の処理内容を説明するフローチャート。 実施例３で示す図７の７０４の処理を補足説明するフローチャート。 本発明の実施例３の自動フォーカス調整処理内容を画面上に表示する画面。 本発明の実施例３の自動フォーカス調整処理内容を画面上に表示する画面。

符号の説明

１０１…電子銃、１０２…コンデンサレンズ、１０３…偏向器、１０４…対物レンズ、１０５…試料、１０６…試料台、１０７…電子ビーム、１０８…２次電子、１０９…反射電子、１１０…レンズ制御回路、１１１…偏向制御回路、１１２…対物レンズ制御回路、１１３…アナログ／デジタル変換器、１１４…アドレス制御回路、１１５…画像メモリ、１１６…制御手段、１１７…ディスプレイ、１１８…コンピュータ、１１９…画像処理手段、１２０…キーボード、１２１…マウス、１２２…二次粒子検出器、１２３…反射電子検出器対、１２４…移動ステージ。

Claims (8)

1. 電子源から放出された電子線を試料上に収束させる電子レンズと、
   前記電子線の照射によって前記試料から発生した二次信号を検出する検出器であって、所定の間隔をおいて設けられた一対の第１および第２の検出器と、第３の検出器と、
   前記試料に対する前記電子線の焦点を複数回変化させ、それぞれの焦点において前記第１、第２、および第３の検出器で検出された二次信号から第１、第２、および第３の二次信号データを生成し保存する保存手段と、
   それぞれの焦点における前記第１、第２、および第３の二次信号データについて演算処理を行うデータ演算手段と、
   前記第１、第２、および第３の検出器のうちの少なくともいずれかひとつの検出器を選択する検出器選択手段と、
   前記検出器選択手段によって選択された検出器に対して、前記電子線の焦点を変化させて二次信号データを生成し、該生成した二次信号データに対して所定のデータ変換処理を施して得られた強度信号に基づいて前記変化させたそれぞれの焦点における二次信号データの評価値を求め、該評価値に対応するフィッティング関数を決定し、前記評価値と前記フィッティング関数との誤差を算出し、該誤差が所定の基準範囲内である場合は、前記フィッティング関数のピーク値を与える焦点を用いて、前記試料に対する前記電子線の焦点を調整し、該誤差が所定の基準範囲外である場合は、前記検出器選択手段により選択された検出器とは別の検出器を選択し、該別の検出器に対する評価値とフィッティング関数との誤差を算出し、該誤差が所定の基準範囲に入る焦点を用いて、前記試料に対する前記電子線の焦点を調整する焦点調整手段とを有することを特徴とする走査型電子顕微鏡。
2. 請求項１の記載において、
   前記焦点調整手段は、前記検出器選択手段における前記検出器の選択を繰り返し行っても前記誤差が所定の基準範囲外である場合は、前記試料に対する前記電子線の焦点を維持することを特徴とする走査型電子顕微鏡。
3. 請求項１の記載において、
   前記検出器選択手段は、前記第１、第２、および第３の検出器の全てを選択し、
   前記焦点調整手段は、該選択された検出器のそれぞれについて算出された前記評価値と前記フィッティング関数との誤差の中から、所定の基準範囲内であって最小である誤差に対応する焦点を用いて、前記試料に対する前記電子線の焦点を調整することを特徴とする走査型電子顕微鏡。
4. 請求項１の記載において、
   前記検出器選択手段は、前記第１、第２、および第３の検出器の全てを選択し、
   前記焦点調整手段は、該選択された検出器のそれぞれについて算出された前記評価値と前記フィッティング関数との誤差の中から、所定の基準範囲内である誤差に対応する検出器について前記評価値の平均値を求め、該評価値の平均値に対応する前記フィッティング関数のピーク値を与える焦点を用いて、前記試料に対する前記電子線の焦点を調整することを特徴とする走査型電子顕微鏡。
5. 請求項１の記載において、
   前記検出器選択手段により選択された検出器の選択履歴を保存する記憶手段を有し、前記検出器選択手段による検出器の選択が、該選択履歴に基づいて実行されることを特徴とする走査型電子顕微鏡。
6. 請求項５の記載において、
   前記選択履歴は消去可能であることを特徴とする走査型電子顕微鏡。
7. 請求項１の記載において、
   前記検出器選択手段による検出器の選択が、確率または統計手法に基づいて実行されることを特徴とする走査型電子顕微鏡。
8. 請求項１の記載において、
   前記検出器選択手段は、検査対象物の製造工程に応じて検出器を選択することを特徴とする走査型電子顕微鏡。

Images