JP5337847B2 - Displacement detection circuit - Google Patents
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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。 The present invention relates to a charged particle beam apparatus, and displays a scan image of a sample by a charged particle beam, a variation of a charged particle beam irradiation position, a variation of a stage position, and a power spectrum of each to display a stable charged particle beam irradiation position. The present invention relates to a charged particle beam apparatus and a displacement detection circuit for evaluating the properties.
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。 In recent years, as the degree of integration of semiconductor elements has improved, the ability to measure pattern shapes with an accuracy of 1 nanometer or less in a semiconductor measurement device, and the function of detecting minute defects of several tens of nanometers in a semiconductor inspection device Is required.
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。 In both the measurement device and the inspection device, the image quality of the acquired image is often judged from contrast, edge sharpness, etc., but it is difficult to quantitatively evaluate the stability of the electron beam position. Measurement of the electron beam irradiation position itself is difficult, and it is difficult to measure the position variation of the stage on which the sample is mounted with a resolution of 1 nanometer or less unless a high resolution laser length measurement substrate is used.
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。 As an example of measuring the electron beam position, a method of measuring the electron beam position with a knife edge or a pattern edge is known (see, for example, Patent Document 1). The knife edge method is a method for evaluating the position of an electron beam applied to an edge by measuring electrons not obstructed by the edge with a Faraday cup below the sample. On the other hand, the method of irradiating the pattern edge with an electron beam is a method of detecting and evaluating secondary electrons that change from the relationship between the beam diameter of the electron beam and the pattern edge. In any of the methods, since the evaluation is performed in a state where the beam diameter is not applied to the edge and is not deflected, the image cannot be seen in this state, and the electron beam position fluctuation synchronized with the image cannot be obtained.
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。 An apparatus for measuring a phase difference between two electric signals (reference signal and measurement signal) appearing in a heterodyne interferometer is known (for example, see Patent Document 2). This is an epoch-making invention in which the resolution of the heterodyne interferometer is further divided by a digital circuit. For example, when the clock frequency is set to 40 megahertz, which is 20 times faster than the beat frequency of 2 megahertz, the phase difference measurement resolution can be improved to 1/10 from 2 × (beat frequency) / (clock frequency). .
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。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。 The operator of the semiconductor inspection apparatus simply evaluates the stability of the electron beam irradiation position on the display. For this realization, a measurement method commensurate with the dimensional accuracy and defect shape of recent semiconductor devices is also required.
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。 As for electron beam position measurement, a signal waveform obtained by converting a current corresponding to light and dark into a voltage is obtained from the secondary electron detector every time one line is scanned on the pattern edge. This signal waveform is repeated for one frame. In addition to the deflection frequency, the frequency of the secondary electron detection signal includes a power supply frequency and a vibration frequency that are lower than the deflection frequency. The problem is to extract only the low-frequency fluctuation component from the secondary electron detection signal and measure the displacement of 1 nanometer or less.
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。 Moreover, the subject of stage position measurement is measuring the displacement below 1 nanometer. Although the S / N ratio can be increased by detecting the change in the duty ratio of the gate output waveforms of the reference signal and the measurement signal, the direction of displacement is not known.
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変位検出回路を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the displacement detection circuit which can evaluate easily the stability of the position where a charged particle beam is irradiated.
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。 In order to solve the above problems, an embodiment of the present invention includes a detector that scans a charged particle beam to detect secondary particles generated from a sample, and displays the sample on the display based on the secondary particles detected by the detector. In a charged particle beam apparatus that displays an image, any one of a scan image by a charged particle beam of a sample, a time history waveform indicating a change in irradiation position of the charged particle beam on the sample, and a power spectrum of the time history waveform on the display Or two or more of them are displayed.
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。 In addition, a heterodyne interferometer that measures the position of the stage on which the sample is mounted is provided, and on the display, a scan image by the charged particle beam of the sample, and a first time history waveform indicating fluctuations in the irradiation position of the charged particle beam on the sample Two or more of the second time history waveform indicating the position of the stage, the power spectrum of the first time history waveform, and the power spectrum of the second time history waveform are displayed.
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変位検出回路を提供することができる。 According to the embodiment of the present invention, it is possible to provide a displacement detection circuit capable of easily evaluating the stability of the position irradiated with the charged particle beam.
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。 Examples of the present invention will be described below. For electron beam position measurement, a low-pass filter that attenuates the deflection frequency is disposed after the secondary electron detector, so that only electron beam position fluctuations synchronized with the power source and vibration can be obtained. The conversion to displacement is determined by the deflection amplitude amount during one-line scanning and the voltage change amount of the secondary electron detector.
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。 The stage position measurement is as follows. As the reference signal of the heterodyne interferometer, a rectangular wave with a constant frequency (duty ratio 50%) is output, and the measurement signal has a higher frequency when the object is symmetrical and the frequency of the rectangular wave (duty ratio 50%) is higher. Go down. If the phase difference φ between the two electric signals of the reference signal and the measurement signal is maintained within a certain range, the increase / decrease direction of the duty ratio of the gate output of the reference signal and the measurement signal coincides with the displacement direction. Therefore, while detecting the phase difference of the reference signal with respect to the measurement signal, the phase of the reference signal is shifted so that the phase of the reference signal is, for example, π / 2 ≦ φ <π with respect to the measurement signal. Detect the gate output of the phase-shifted reference signal and measurement signal. Since the detected waveform includes a beat frequency, it is cut by a low-pass filter. As a result, displacement information whose frequency is lower than the beat frequency and whose direction is specified is obtained.
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。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a schematic configuration of a charged particle beam apparatus. In the present embodiment, an example of an electron beam is described as a charged particle beam, but the same applies to charged particles having a positive charge. The
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。
When measuring or inspecting the entire surface of the
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。
In order to acquire a clear image at a high magnification, the beam diameter of the
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。
FIG. 2 is a screen diagram illustrating an example of an image displayed on the
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。
FIG. 3 is a perspective view showing a method for measuring the electron beam position. The deflection region of the
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。
FIG. 4 is a displacement detection circuit of the heterodyne interferometer, and a method for detecting the stage displacement will be described. The basic frequency of the reference signal and measurement signal of the heterodyne interferometer is the beat frequency (fb (Hz)) of the two-frequency laser, and the frequency of the
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。
The
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。
On the other hand, in the analog circuit, signals having different phases, such as −π / 2, + π / 2, and + π, are generated for the
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。 Again, in the digital circuit, the number of phase switching is counted by the counter C32. Note that one switching amount π / 2 corresponds to a displacement of λ / (4n). The value of the counter C32 is output digitally.
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。 The sum of the output (DO) of the digital circuit thus obtained and the output (AO) of the analog circuit is the amount of displacement. As an addition method, digital output may be converted into analog output and added by an analog circuit. Alternatively, the analog output may be converted to digital and added by a digital circuit.
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。 FIG. 5 is a time chart of the displacement detection circuit, in which the output values of FIG. 4 are described along with changes in time. The difference between the counter A and the counter B is decreased to 3, 2, and 1. In the reference signal, the output of the counter C changes to 6, 9, and 13 under the condition that one cycle is sampled at 20 points. At the times t2 and t3, since the phase difference π / 2 ≦ φ <π, the phase shift amount is set to zero and the analog switch SW1 in the selector column is selected. At the times t4 and t5, the phase difference π <φ ≦ 3π / 2 is satisfied, the phase shift amount is + π / 2, and the analog switch SW2 is selected. Since the phase is intentionally shifted, the displacement equivalent amount is added to the counter C. The time chart shown in the lower part of FIG. 5 shows a digital output value (DO), an analog output value (AO), and their sum.
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。 The voltage of AO when the phase difference is shifted by π / 2 is (Lo + 3Hi) / 4, and the voltage of AO when the phase difference is shifted by π is Hi, and the voltage amplitude is (Hi−Lo) / 4 (≈1V). ) If the resolution of the original heterodyne interferometer is λ / (2n), the displacement amplitude of AO is λ / (4n). If the AO noise is suppressed to 10 mV or less, the resolution of the displacement detection circuit of the present invention is λ / (4n × 100), which can be improved to 1/200 of the original resolution.
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。 As described above, according to the embodiment of the present invention, only by observing the edge of the pattern, the time history waveform of the electron beam irradiation position fluctuation and the stage position fluctuation can be displayed in an overlapping manner, or the power spectrum of each can be displayed. By superimposing and displaying, the amount of fluctuation per time and the amplitude for each frequency can be evaluated, and the stability of the charged particle beam irradiation position can be easily evaluated in the charged particle beam apparatus.
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
19,31 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
32 カウンタC
DESCRIPTION OF
21
24 Counter B
25
Claims (1)
該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との差分をとる減算器と、
前記差分がある一定の範囲になるように、スイッチ回路による信号波形の選択を切り替える切替手段と、
前記切替手段の切替え回数をカウントするカウンタと、
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と、を有し、
前記カウンタでカウントした切替え回数と前記ローパスフィルタの出力に基づいて、変位量を検出することを特徴とする変位検出回路。 A heterodyne interferometer,
A digital counter for counting the number of optical beats of each of the reference signal and measurement signal of the heterodyne interferometer;
A subtractor for taking a difference between the reference signal and the measurement signal;
Switching means for switching selection of the signal waveform by the switch circuit so that the difference is in a certain range;
A counter for counting the number of switching times of the switching means;
A phase shift circuit for shifting the phase of the waveform of the reference signal;
A switch circuit for selecting one specific signal waveform from the waveform of the phase shift signal phase-shifted by the phase shift circuit;
A gate for detecting a phase difference between the reference signal and the measurement signal;
A low pass filter for removing a signal of the heterodyne frequency from the output of the gate, was closed,
A displacement detection circuit that detects a displacement amount based on the number of times of switching counted by the counter and the output of the low-pass filter .
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