JP5357889B2 - 荷電粒子ビーム装置 - Google Patents

Description

荷電粒子ビームを用いて、試料（半導体ウエハやレチクル等）表面の微細パターンの形状やその寸法を測定する荷電粒子ビーム装置に関する。

半導体ウェハ等の試料に形成された回路パターンを観察する技術として、荷電粒子ビーム装置がある。荷電粒子ビーム装置は、試料に一次荷電粒子ビームを照射し、これにより発生する二次荷電粒子を検出する。そして、検出した二次荷電粒子を画像化して表示装置に表示する。一次荷電粒子ビームが電子ビームの場合は、走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope、以下ＳＥＭと略す）である。まず、加熱型や電界放出型の電子源から放出した電子を加速する。その後、レンズによって電子ビームのビーム径を細くしぼった電子ビームを形成する。その電子ビームを試料（例えば、ウエハやレチクル等）上に２次元的に走査し、発生する２次電子を検出することで、試料上の微細パターンの２次元の走査電子画像を得ることができる。

このとき、試料上への１次電子のランディングエネルギーに依存して電子の試料への進入が深く広がり2次電子検出像の分解能が劣化する。したがって、ランディングエネルギーを低くする必要がある。さらに、プロセス工程に導入される材料の中には、電子ビームに対する耐性が弱いものが増加している。そのため、入射電子の低エネルギー化は必須である。さらに、試料上への入射電子のランディングエネルギーに依存して２次電子の発生効率が変化するため、試料サンプルがチャージアップしてしまう。したがって、ランディングエネルギーを適切に選び２次電子の発生効率を１に保つことが要求される。分解能と電子ビームに対する耐性とチャージアップをすべて両立するためには、低エネルギー化は必須である。

半導体デバイスパターンの寸法測定には前記ＳＥＭの一例である測長ＳＥＭ（Critical-Dimension Scanning Electron Microscope、以下ＣＤ−ＳＥＭと略す）を用いるのが主流である。近年の回路パターンの微細化に伴い高分解能化が要求される。電子源から電子が発生した後に加速し、試料に電子が入射する前に、減速電界をかける（リターディング電圧の印加）という機構が設けられている。これによって取得する画像の高分解能化とランディングエネルギーの低加速化を両立することができる。

しかし、近年、測定する試料の中に帯電をもつものやビーム照射により帯電を生じるものが現れ始め、試料の帯電やその分布によってＣＤ−ＳＥＭのフォーカスずれや非点収差などを引き起こす。このような帯電は、試料に照射する一次荷電粒子ビームの軌道を曲げたり、電磁レンズで一次荷電粒子ビームを収束すると試料表面の合焦点をずらしたりする。それらの結果、フォーカス位置と非点を再度調整するために前記電磁レンズなどの調整に時間が必要になる。さらに、上述の帯電が試料上で面内分布を有する場合、各試料上の測定点に一次荷電粒子ビーム照射位置が移動する毎に、フォーカス位置と非点の再調整が必要になる。その結果、ＣＤ−ＳＥＭなどの荷電粒子ビームによる微細パターンの計測、検査においてスループットは著しく低下する。

これに対し、特許文献１では、画像処理により、異なるフォーカス位置での直行する方位の微分画像のコントラストが最大になる２点間の距離から非点較差を測定する技術が開示されている。特許文献２では、軸上のビームに対して直行する方位に非点補正をかけて、デフォーカス時の移動量が最小になる点を見つける技術が開示されている。

特開２００３−１６９８３号公報 特開２００２−１３４０５９号公報

特許文献１では、非点較差を測定するためには、数10枚の画像を取得して比較する必要である。そのため、数pA〜数10pAで観察する走査電子顕微鏡では処理に3〜10秒必要となる。一方、特許文献2では、デフォーカス時の移動量の非点較差感度が小さいため、特許文献１の補正方法に比べて精度不足が発生する場合があった。

本発明の課題は、非点較差測定感度を落すことなく、かつ測定する時間を短縮することが可能な荷電粒子ビーム装置を提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明においては、２方向の照射ビームで得た観察像の比較で移動量と方向測定を行うため、試料上の法線から傾斜させた傾斜ビームを照射する電子光学系設定を登録し保持する記憶部と、この傾斜ビームで得た観察像を比較して移動量と方向を測定し、この移動量と方向から非点補正量を算出する処理部とを有することを特徴とする荷電粒子ビーム装置を構成する。

荷電粒子ビームのプローブ形状は、方位角ごとに合焦点位置が異なると非点形状になる。この際、直行する2方位間の合焦点位置の差が非点較差である。この非点較差があるとき、非点量を測りたい方位に合焦点位置を基準に電子ビームを傾斜させると視野移動が発生する。視野移動量は非点較差に比例する。非点を抑制するには、発生する方位と量を測定し制御する必要がある。そのためには、試料面内の基準方位から0度と45度の２つの方位角の非点較差を測定し、その結果から非点の方位と量を算出して非点補正器の制御量を算出する必要がある。また、対物レンズ内と対物レンズ外に少なくとも１つずつ非点補正器を有することも有効である。この場合、試料上の非点収差は対物レンズ内の非点補正器で補正することが効果的である。更に、画像内のパターンエッジの先鋭度から非点収差を求める手段を合わせ持つことが望ましい。

上述した構成の本発明により、表面電位分布の予測精度を向上させることにより、合焦点検出時の試料電位（リターディング電圧）のふり幅を狭くすることができる。特に、回転対称な電位分布ではないウェハでは、リターディング電圧のふり幅を効果的に狭くすることが可能となる。その結果、オートフォーカスの動作時間を1/10以下にすることができる。また、非点補正器を複数用いることで、装置起因の非点収差と試料起因の非点収差を個別に計測・補正することが可能となり、補正精度の向上に効果がある。

本発明の視差法により非点補正量の強調手段を説明する概略図である。 第１の実施例に係わる、走査電子顕微鏡システムの概略構成図である。 第１の実施例に係わる、走査電子顕微鏡システムのフローチャートを示す図である。 方位角0度と45度に傾斜した電子ビームで視差により生じる像移動量を説明する図である。 方位角0度と45度と90度傾斜での視差により生じる像移動量を説明する図である。 第２の実施例に係わる、走査電子顕微鏡システムの概略構成図である。 第２の実施例に係わる、走査電子顕微鏡システムのフローチャートを示す図である。 第２の実施例に係わる、走査電子顕微鏡システムのもう１つのフローチャートを示す図である。 第３の実施例に係わる、走査電子顕微鏡システムの概略構成図である。 第３の実施例に係わる走査電子顕微鏡システムのフローチャートを示す図である。 各実施例に係わるシステムのユーザインターフェース部２０２に表示される入力画面の一概略構成を示す図である。

以下に、本発明の実施の形態を図面により説明する。

図1は視差法により電子ビームの非点を強調する方法を示す概略図である。同図において、１は非傾斜ビーム、即ちＸＹ平面の法線方向の電子ビーム、２、３は傾斜ビーム、即ち上記法線方向に対し零でない傾斜度を有する電子ビームを示す。傾斜した電子ビーム、すなわち傾斜ビーム２、３のプローブ形状は、方位角ごとに合焦点位置が異なると非点形状になる。この際、直行する2方位間、すなわち方位角０度と方位角９０度の合焦点位置の差が非点較差である。非点較差（nm）は、｜ΔＸ−ΔＹ｜／ＴＡＮ（Θ）で表される。正焦点較差（nm）は、｜ΔＸ＋ΔＹ｜／２ＴＡＮ（Θ）である。ただし、傾斜ビーム２、３のビーム傾斜Θに較差が生じる場合でも対応することができ、それぞれの方位のビーム傾斜角をΘ_ＸとΘ_Ｙとして、非点較差（nm）は、｜ΔＸ／ＴＡＮ（Θ_Ｘ）−ΔＹ／ＴＡＮ（Θ_Ｙ）｜、正焦点較差（nm）は、｜ΔＸ／ＴＡＮ（Θ_Ｘ）＋ΔＹ／ＴＡＮ（Θ_Ｙ）｜／２である。方位角０度と９０度の傾斜時の方位角のずれをα_Ｘとα_Ｙとして、非点較差（nm）は、｜ΔＸ／cos(α_Ｘ)／ＴＡＮ（Θ_Ｘ）−ΔＹ／cos(α_Ｙ)／ＴＡＮ（Θ_Ｙ）｜である。

上記非点較差があるとき、非点量を測りたい方位に合焦点位置を基準に電子ビームを傾斜させると視野移動が発生する。視野移動量は非点較差に比例する。非点を抑制するには、発生する方位と量を測定し制御する必要がある。そのため、本発明においては、試料面内の基準方位から0度と90度間と45度と135度間の２つの方位角の非点較差を測定し、非点の方位と量を算出して非点補正器の制御量である非点補正量を算出する。この算出の具体例については、以下の実施例の説明中で詳述する。

図２は、第１の実施例に係わる荷電粒子ビーム装置、すなわち走査電子顕微鏡システムの概略構成図である。

図示するように、本実施例の走査電子顕微鏡システムは、荷電粒子線光学系１０と、制御系２０と、搬送系３０と、試料室４０と、を有する。荷電粒子線光学系１０は、一次荷電粒子線１００を出射する荷電粒子源１０１と、引出電極１０２と、コンデンサレンズ１０３と、アライメントコイル１０４と、偏向コイル１０５と、対物レンズ１０６と、二次荷電粒子を検出する二次荷電粒子検出器１０７と、高さ検出用レーザ発光器１０８と、ポジションセンサ１０９と、非点補正器１１０を有する。

制御系２０は、統括制御部２０１と、ユーザインターフェース部２０２と、荷電粒子線光学系制御装置２０３と、ステージ制御装置２０４と、加速電圧制御装置２０５と、コンデンサレンズ制御部２０６と、増幅器２０７と、アライメント制御部２０８と、偏向信号制御部２０９と、対物レンズ制御部２１０と、二次荷電粒子像表示装置２１１と、リターディング制御部２１２と、非点補正器制御部２１３と、を有する。統括制御部２０１は処理部である中央処理部（Central Processing Unit：ＣＰＵ）２０１aと記憶部であるメモリ２０１ｂとから構成される。荷電粒子線光学系制御装置２１１も同様に、図示を省略した処理部と記憶部を備えており、処理部は以下で説明する種々の制御、画像処理、演算等を実行し、記憶部は各種の計測データや計算結果データを記憶する。

荷電粒子線光学系制御装置２０３から加速電圧制御装置２０５を制御することにより、試料観察・分析などに適切な値に荷電粒子線１１を加速する。荷電粒子線光学系制御装置２０３から荷電粒子線１１の電流量や集束の開き角などを制御するための設定値をコンデンサレンズ制御部２０６に指令する。その際、荷電粒子線１００の軸ずれ補正値を荷電粒子線光学系制御装置２０３からアライメント制御部２０８に送付する。荷電粒子線光学系制御装置２０３から対物レンズ制御部２１０に荷電粒子線１００が試料上で合焦点となる値を送付する。偏向信号制御部２０９は偏向器１０５で荷電粒子線１００を偏向し、増幅器２０７の信号と同期させて二次荷電粒子像表示装置２１１に観察像を作成する。対物レンズ制御部２１０又はリターディング制御部２１２の設定変更毎の観察像を画像処理又はオペレータの観察により比較して合焦点判定を行う。

搬送系３０は、試料である半導体ウェハ３００を保持するウェハカセット３０１と、搬送アーム３０２と、ウェハ搬送装置３０３と、アライナ３０７、プローブ３０４と、試料交換室３０５と、ゲートバルブ３０６ａ、３０６ｂと、を有する。

試料室４０は、荷電粒子線１００の入射方向に対して垂直方向に半導体ウェハ３００を移動させる試料ステージ４０１を有する。

統括制御部２０１は、ユーザインターフェース部２０２を介してオペレータより入力された検査レシピ情報（荷電粒子１００の加速電圧、半導体ウェハ３００に関する情報、測定点の位置情報等）に従い、荷電粒子線光学系制御装置２０３、ステージ制御装置２０４、およびウェハ搬送装置３０３を介して、システム全体の制御を行う。

統括制御部２０１から命令を受けたウェハ搬送装置３０３は、搬送アーム３０２を操作してウェハカセット３０１から半導体ウェハ３００を取り出す。そして、真空に保持されている試料交換室３０５を大気圧にある外部から分離するゲートバルブ３０６ａを開け、半導体ウェハ３００を試料交換室３０５に搬入する。試料交換室３０５に入った半導体ウェハ３００は、ゲートバルブ３０６ｂを介して試料室１１０に搬送され、試料ステージ４０１上に固定される。荷電粒子光学系制御装置２０３は、統括制御部２０１からの命令に従い、加速電圧制御装置２０５、コンデンサレンズ制御部２０６、増幅器２０７、アライメント制御部２０８、偏向信号制御部２０９、対物レンズ制御部２１０、およびリターディング制御部２１２を制御する。

引出電極１０２により荷電粒子源１０１から引き出された荷電粒子線１００は、コンデンサレンズ１０３、対物レンズ１０６により集束され、試料ステージ４０１上の半導体ウェハ３００に照射される。なお、荷電粒子源１０１から引き出された一次荷電粒子線１１は、アライメントコイル１０４によりその軌道を調整され、偏向信号制御部２０９から信号を受けた偏向コイル１０５により、半導体ウェハ３００上を二次元に走査される。

試料ステージ４０１上の半導体ウェハ３００には、リターディング制御部２１２から一次荷電粒子線１００を減速するためのリターディング電圧（電子顕微鏡の場合は負電圧）が印加されている。半導体ウェハ３００への一次荷電粒子線１００の照射に起因して、半導体ウェハ３００から二次荷電粒子が放出される。この二次荷電粒子は、二次荷電粒子検出器１０７により検出され、増幅器２０７を介して二次荷電粒子像表示装置２１１の輝度信号として使用される。二次荷電粒子像表示装置２１１の走査信号と偏向コイル１０５の偏向信号とは同期している。このため、二次荷電粒子像表示装置２１１には、半導体ウェハ３００に形成された回路パターン形状が忠実に再現される。なお、二次荷電粒子とは、荷電粒子線１００の照射に伴い半導体ウェハ３００から二次的に放出される荷電粒子であり、一般的には二次電子、オージェ電子、反射電子、二次イオンと呼ばれるものを指す。

上記構成の走査電子顕微鏡システムにおいて、半導体ウェハ３００上の回路パターンを高速に計測するためには、試料ステージ４０１が所望の測定点に移動したときの半導体ウェハ３００の高さを検出し、その高さに応じて対物レンズ１０６の焦点距離を調整する、いわゆる集束調整が必要である。このため、レーザ光を用いたウェハ高さ検出機構が設けられている。試料ステージ位置検出器により試料ステージ位置を検出し、所望の位置近傍に試料ステージ４０１が接近したときに、高さ検出用レーザ発光器１０８が試料ステージ４０１上の半導体ウェハ３００にレーザ光を照射する。そして、その反射光をポジションセンサ１０９で受光し、その受光位置から半導体ウェハ３００の高さを検出する。この半導体ウェハ１３の高さ情報は対物レンズ１０６の焦点距離にフィードバックされる。つまり、対物レンズ制御部２１０は、ポジションセンサ１０９が検出した半導体ウェハ１３の高さ情報に基づいて対物レンズ１０６の焦点距離を調節する。その結果、試料ステージ４０１が所定の位置に到達した際には、荷電粒子線１００は半導体ウェハ３００上に集束される。したがって、半導体ウェハ３００の回路パターンの検出を、オペレータによる操作なしに自動で行うことができる。

本実施例において、対物レンズ１０６は電磁レンズであり、励磁電流によって焦点距離が決定される。半導体ウェハ３００上に荷電粒子線１００が集束するために必要な励磁電流は、荷電粒子線１００の加速電圧、半導体ウェハ３００の表面電位、および半導体ウェハ３００の高さの関数で表される。この関数は光学シミュレーションまたは実測により導出することができる。

非点や帯電がない場合、半導体ウェハ３００の表面電位は、測定点の位置にかかわらずリターディング電圧と等しくなる。この場合、半導体ウェハ３００上に荷電粒子線１００が集束するために必要な励磁電流は、一次荷電粒子線１１の加速電圧および半導体ウェハ３００の高さの関数となる。したがって、一次荷電粒子線１００の加速電圧が一定ならば、ポジションセンサ１０９で検出した半導体ウェハ３００の測定点における高さ情報を対物レンズ１０６の焦点距離にフィードバックすることで、この測定点で一次荷電粒子線１００を集束させることができる。

しかし、非点や帯電がある場合、荷電粒子線１００の非点補正量と半導体ウェハ３００の表面電位は、測定点の位置に応じて変化する。この場合、半導体ウェハ３００上に荷電粒子線１００が集束するために必要な非点補正量と励磁電流は、荷電粒子線１００の加速電圧、半導体ウェハの表面電位、および半導体ウェハ３００の高さの関数だけでは求めることができない。したがって、荷電粒子線１００の加速電圧が一定でも、ポジションセンサ１０９で検出した半導体ウェハ３００の測定点における高さ情報のみならず、この測定点における非点補正量を非点補正器１１０に表面電位を対物レンズ１０６の焦点距離にフィードバックさせなければ、この測定点で荷電粒子線１００を集束させることができない。ここで、測定点の高さ情報は、上述したように、高さ検出用レーザ発光器１０８およびポジションセンサ１０９を用いて測定開始直前に、リアルタイムで計測することができる。しかし、測定点の非点補正量と表面電位を測定開始直前に、計測することは現実的でない。

そこで、本実施例の走査電子顕微鏡システムでは、図３に示すようなフローチャートで動作する。

まず、走査荷電粒子顕微鏡システムに半導体ウェハ３００を試料交換室３０５に入れて（Ｓ３０４）、ゲートバルブ３０６ｂを介して試料室４０に搬送される。半導体ウェハ３００は試料ステージ４０１に固定され（Ｓ３０９）、図示を省略した試料ステージ位置検出器に対してアライメントをとる。試料ステージ位置検出器により試料ステージ位置を検出し、所望の位置近傍に試料ステージを移動する（Ｓ３１０）。偏向信号制御部２０９は偏向器１０５で荷電粒子線１００を偏向し、増幅器２０７の信号と同期させて二次荷電粒子像表示装置２１１に観察像を作成する。

アライメント制御部２０８の設定変更毎に、対物レンズ制御部２１０又はリターディング制御部２１２の変更による観察像移動量を画像処理又はオペレータの観察により比較して最小となる設定をアライメント判定する。対物レンズ制御部２１０又はリターディング制御部２１２の設定変更毎の観察像を画像処理又はオペレータの観察により比較して合焦点判定を行う。同様に、非点補正器制御部２１３の設定変更毎の観察像を画像処理又はオペレータの観察により比較して非点格差の収束点を判定する。非点格差の収束点の判定に関する別の方法に、対物レンズ制御部２１０又はリターディング制御部２１２の設定変更毎の観察像を画像処理により比較するものもある。上記アライメント判定と上記合焦点判定と上記非点較差の収束点の判定により、一次荷電粒子線１００のビーム軸の調整を完了する（Ｓ３１１）。

次に、偏向信号制御部２０９とアライメント制御部２０８で適切な設定をすることにより、一次荷電粒子線１００を半導体ウェハ３００に規定のチルト角と規定の方位角で斜めに照射するチルト軌道にする。偏向コイル１０５と偏向信号制御部２０９又はアライメントコイル１０４とアライメント制御部２０８はチルト軌道用に別途追加することで制御を容易にすることもできる。偏向信号制御部２０９の設定変更毎にチルト軌道に設定する前後の観察像移動量を画像処理又はオペレータの観察により比較して最小となるチルト軌道判定を行う。荷電粒子線光学系制御装置２０３は、偏向信号制御部２０９とアライメント制御部２０８の設定値と前記チルト角と前記方位角と前記観察像移動量を荷電粒子線光学系制御装置２０３に設けた記憶部の記憶領域にチルト軌道として登録（Ｓ３１２）する。登録するチルト軌道は半導体ウェハ３００に対して０．１から１０度の範囲でビーム照射角度を傾斜させる。チルト軌道は必要に応じて傾斜の方位角を変えて複数点登録する。

上記ビーム軸の調整と上記チルト軌道の登録は、半導体ウェハ３００を試料室１１０にロードする毎に必要に応じて項目を選択しておこなう。例えば、ロット内での半導体ウェハ３００の交換であれば、上記ビーム軸の調整と上記チルト軌道の登録は割愛することができる場合もある。

次に、図示を省略した試料ステージ位置検出器により試料ステージ位置を検出し、測定点の位置近傍に試料ステージを移動する（Ｓ３１３）。ポジションセンサ１０９で半導体ウェハ３００の高さを検出し（Ｓ３１４）、対物レンズ１０６の合焦点位置を上記高さにあわせる（Ｓ３１５）。必要に応じて、リターディング制御部２１２は測定点の表面電位に連動させることで一次荷電粒子線１００のランディングエネルギーを制御する（Ｓ３１６）。

帯電したウェハの処理に際しては、フォーカスずれを防ぐため、ウェハに印加するリターディング電圧により表面電位を補正する必要がある。例えば、国際公開ＷＯ２００３/００７３３０号公報に開示された表面電位の補正フローを以下に示す。
ウェハを装置内にロードする際に、ウェハ搬送（Ｓ３００−Ｓ３０４）と並行して表面電位を測定する（Ｓ３０５，Ｓ３０６）。現状では、ウェハ中心を通る直線上を等間隔で測定する（Ｓ３０６）。
最小二乗法を用いて表面電位の測定結果に偶関数をフィッティングし、表面電位の一次元分布を近似する関数を求める（Ｓ３０７）。さらに、表面電位分布の回転対称性を仮定して二次元分布を表す関数に展開する。
試料のロード後、測定点の近傍に設けられたアライメントパターンにステージを移動させる。
2) で求めた近似関数を元にウェハ電位を予測し（Ｓ３０８）、リターディング電圧を計算する。
4) で求めた電圧の上下でリターディング電圧を変化させながらフォーカスを確認することにより、リターディング電圧の最適値を求める（Ｓ３１６）。
測定点にステージを移動し、測定を実施する。

これらの工程のうち1)および2)はウェハ毎に一回だけの実施であり、且つ搬送と並行して行われるため、ウェハ1枚あたりの処理時間に与える影響が小さい。しかし、3)から6)の工程は測定点毎に繰り返されるため、ウェハ1枚あたりの処理時間に与える影響が大きい。

5)の工程では、リターディング電圧を予め決められたふり幅内を一定の電圧間隔で変化させながら、フォーカスを確認し、最適なリターディング電圧を探している。最適値を決定するまでの時間は、ふり幅、電圧間隔および信号取り込み時間などに依存する。帯電分布が回転対称でないウェハでは、1)と2)の工程を改良することで対応することも可能である。

荷電粒子線光学系制御装置２０３の処理部は、チルト軌道の登録（Ｓ３１２）の値を偏向信号制御部２０９とアライメント制御部２０８に読出し、チルト軌道に設定する前後の観察像移動量を画像処理により測定する。チルト軌道は必要に応じて傾斜の方位角を変えて観察像移動量を測定する。本実施例では、方位角０度と９０度間と４５度と１３５度間の観察像移動量を測定し、観察像移動量／チルト角度から非点較差と合焦点位置を求める。荷電粒子線光学系制御装置２０３の処理部は、非点較差に非点コイル感度をかけて求めた非点補正量を非点補正器制御部２１３に設定する。合焦点を得るために、合焦点位置に対物レンズ感度をかけて求めた対物レンズ補正量を対物レンズ制御部２１０に設定するか又はリターディング感度をかけて求めたリターディング補正量をリターディング制御部２１２に設定する。

荷電粒子線光学系制御装置２０３の処理部は、非点較差の測定と非点補正器制御部２１３への設定と合焦点位置の測定と対物レンズ制御部２１０への設定を、測定点毎に必要に応じて項目を選択しておこなう。例えば、測定点間で非点較差が発生しなければ、非点補正器制御部２１３への設定は割愛することができる場合もある。

荷電粒子線光学系制御装置２０３の処理部が実行する、以上のフローによる合焦点状態の判定（Ｓ３１７）で一次荷電粒子線１００を測定点で集束し、偏向信号制御部２０９は偏向器１０５で荷電粒子線１００を偏向し、増幅器２０７の信号と同期させて二次荷電粒子像表示装置２１１に観察像を作成する。測定点での測定・観察完了の後（Ｓ３１８）、次の測定座標に試料ステージを移動し（Ｓ３１９）、上記フローを繰り返す。測定点での測定・観察結果は解析処理（Ｓ３２０）に引き渡されて高度な分析を施す。全ての測定点での測定・観察が完了すればウェハを搬出（Ｓ３２１）して交換する。

まず、非点のみ補正する場合について述べる。荷電粒子線光学系制御装置２０３の処理部が、２つの画像比較により求めた視野移動量より、試料に対する方位角０度と９０度間と４５度と１３５度間の２つの非点較差を算出する方法を以下に示す。図４は、方位角０度と４５度にビームを０．１〜１０度傾斜させた荷電粒子ビームで観察像を取得したときに視差により生じる像移動量を示すＸＹ平面４１の図である。処理部は、視野移動量の距離と視野移動の方位から試料に対する方位角０度と４５度の視差による２つの方位角の視野移動量を算出する。方位角４５度の視差による視野移動量は、

である。ここで、L₄₅は方位角４５度の視野移動量、Lは視野移動量、Θは視野移動の角度である。すなわち、視野移動量に角度のサイン関数をかけてルート２をかけると方位角４５度の視野移動量を算出する。次に、方位角０度の視差による視野移動量は、

である。ここで、L₀は方位角０度の視野移動量である。視野移動量に角度のサイン関数をかけたものとコサイン関数をかけたものを足し合わせると方位角０度の視野移動量を算出する。方位角４５度と１３５度間の非点較差は、

であり、と方位角０度と９０度間の非点較差は、

である。ここで、Ｄ_45-135は方位角４５度と１３５度間の非点較差、αは荷電粒子ビームを傾斜させたチルト角、Ｄ_0-90は方位角０度と９０度間の非点較差である。上記方位角４５度と０度の視野移動量をチルト角のタンジェント関数で割って求めた距離が各方位の非点較差に相当する。上記チルト角は、方位角０度と４５度でビームを傾斜する角度であるが、必ずしも一致しない場合が想定される。その場合は、三角関数などで補正を行う必要がある。最後に、視野移動量より求めた上記非点較差に非点コイル感度をかけて求めた非点補正量を非点補正器制御部２１３に設定する。一般に非点コイル感度は回転作用や非線形作用をもつため行列式などで処理することが多い。チルト軌道と登録する際のチルト角度と方位角と観察像移動量の理想軌道からのずれを考慮するとより精度が向上する。

本実施例の構成においては、観察像２枚で非点量が算出でき、ビーム電流が１０ｐＡの観察条件下、非点を１００ｍｓｅｃ〜６００ｍｓｅｃで補正を完了した。

次に、非点較差と合焦点検出を平行して行う方法について述べる。図５は試料に対する方位角０度と４５度と９０度にビームを０．１〜１０度傾斜させた荷電粒子ビームで観察像を取得したときに視差により生じる移動量を示すＸＹ平面５１の図である。図４と同様な手法で、第１移動量の距離と角度から試料に対する方位角４５度に視差で生じる移動量と、第２移動量の距離と角度から試料に対する方位角０度と９０度に視差で生じる移動量は、

である。ここで、Ｌ₄₅は方位角４５度の視差で生じる移動量、Ｌ₁は方位角０度と４５度間の視差により生じた移動量、Θ₁は方位角０度と４５度間の視差で生じる移動の角度、Ｌ₀は方位角０度の視差で生じる移動量、Ｌ2は方位角０度と９０度間の視差により生じた移動量、Θ₂は方位角０度と９０度間の視差により生じた移動の角度、Ｌ₉₀は方位角９０度の視差で生じる移動量である。合焦点位置と方位角０度と方位角９０度間の非点較差は、

である。ここで、Ｆは合焦点位置、αは荷電粒子ビームを傾斜させたチルト角、Ｄ_0-90は方位角０度と９０度間の非点較差である。

方位角０度と方位角９０度の移動量にチルト角のタンジェント関数で割って求めた距離の平均値と較差がそれぞれ合焦点位置と方位角０度と９０度間の非点較差である。さらに、方位角４５度と１３５度間の非点較差は、

である。ここで、Ｄ_45-135は方位角４５度と１３５度間の非点較差である。

合焦点位置にチルト角のタンジェント関数をかけて求めた距離を方位角４５度の移動量から引いた距離をチルト角のタンジェント関数で割った距離が方位角４５度と１３５度間の非点較差である。最後に、視野移動量よりも求めた上記非点較差に非点コイル感度をかけて求めた非点補正量を非点補正器制御部２１３に設定すると同時に上記合焦点位置に対物レンズ感度をかけて求めた対物レンズ補正量を対物レンズ制御部２１０に設定するか又はリターディング感度をかけて求めたリターディング補正量をリターディング制御部２１２に設定して合焦点を得る。以上詳述してきたように、本実施例では、観察像３枚で非点較差と合焦点位置を算出でき、ビーム電流が１０ｐＡの観察条件下、フォーカスと非点を１５０ｍｓｅｃ〜９００ｍｓｅｃで補正を完了した。方位角０度と２７０度間の移動量からもＤ_0-90を求めることができる。方位角１３５度と２２５度間の移動量、２２５度と３１５度間、３１５度と４５度からもＤ_45-135を求めることができる。

試料に対する方位角０度と１８０度にビームを傾斜させて視差により生じる移動量を測定すると、より正確に合焦点位置を測定することができる。また、対物レンズやリターディングにより合焦点位置を変更して視差により生じる移動量を、複数点測定し関数でフィットすると、移動量が０となる合焦点位置をより正確に検出することができる。試料に対する方位角９０度と２７０度間と方位角０度と１８０度間の視差により生じる移動量の差を測定すると、より正確に方位角０度と９０度間の非点較差を測定することができる。上記手法を方位角４５度と１３５度間の非点較差の測定に適用することができる。方位角毎に、対物レンズやリターディングにより合焦点位置を変更して、視差により生じる移動量を複数点測定する。視差により生じる移動量から関数のフィットにより移動量が０となる合焦点位置を検出する。荷電粒子線光学系制御装置２０３の処理部は、上記手法で求めた方位角間の合焦点位置の較差より、正確に非点較差を求めることができる。

図６に実施例２の装置の概要構成図を、図７にそのフローチャートを示す。本実施例では非点収差補正に絞って実施した。対物レンズ内に第１の非点補正器４０７と対物レンズ外に第２の非点補正器４０４を有している。ここで対物レンズ内とは対物レンズの物面４０５と像面を形成する試料３００との間に位置することを意味し、対物レンズ外とはその外に位置することを意味する。また、本実施例ではステージ上に非点校正用マーク４０６を有している。

図７のフローチャートに従って実施例２の動作概要を説明する。非点校正用マーク４０６をビームの下に移動する（Ｓ７０１）。マーク４０６は導電性を持たせるためにシリコン基板上にタングステンで形成されている。マーク形状は複数の方向に辺を持ち、密度の高いものが好ましい。なお、非点校正用マーク４０６は試料ホルダーに設置しておいても良い。次に、傾斜ビーム像の移動量をもとに第１の非点補正器４０７により非点補正を行う（Ｓ７０２）。本実施例ではアライメントコイル１０４と偏向コイル１０５を用いて対物レンズ内で傾斜ビーム軌道を形成しているために、傾斜ビーム像から得られる非点収差は対物レンズ内の非点収差である。対物レンズ内で傾斜ビームを形成する理由はアライメントコイルや偏向コイルといった既存の電子光学素子を活用できることと、対物レンズより上方で傾斜ビームを形成すると途中の電子光学素子にビームが衝突してしまうことである。

更にパターンエッジの先鋭度をもとに第２の非点補正器４０４により非点収差を補正する（Ｓ７０３）。パターンエッジの先鋭度で得られる非点収差は電子ビーム全系で発生する非点収差の合計であるため、第２の非点補正器は実質的に対物レンズ外の非点収差を補正していることになる。それぞれの非点補正器に与える値は２次荷電粒子像表示装置２１１に表示されることになる。

以上の準備段階を経た後に、試料の測定点をビームの下に移動する（Ｓ７０４）。試料で新たに発生している非点収差は試料内の帯電分布に起因し、非点収差は対物レンズ内で発生している。従って、高速高精度が期待できる傾斜ビームを用いた非点計測が威力を発揮する。計測された非点補正量をもとに第１の非点補正器を用いて非点補正を行う（Ｓ７０５）。第１の非点補正器を対物レンズ内に設置してあれば傾斜ビーム像の移動量は補正により小さくなるので、補正の効果の検証や繰り返しによる補正の高精度化が可能となる。

ここで、測定点が複数あれば、測定点位置の移動と非点補正を繰り返すことになる。また、始めの非点校正用マーク４０６の使用は装置の安定性次第で、ロット毎や日毎でのみ実行すればよい。対物レンズ内の非点収差は画像内のパターンエッジの先鋭度からも求められることも出来る。従って、２つの方法で非点収差を求めて比較検証することも可能であり、この切り替えも２次荷電粒子像表示装置２１１上で行うことになる。

第１の非点補正器を用いれば傾斜ビームを用いた補正効果の確認も可能である。また、装置固有の非点収差の多くは対物レンズの外で生じているために、本実施例では実質的に第１の非点補正器４０７により試料起因の非点収差を、第２の非点補正器４０４により装置起因の非点収差を補正していると考えることができる。

また、収差補正は図８のフローチャートに従って行うことも可能である。まず、非点校正用マーク４０６をビームの下に移動する（Ｓ８０１）。次にパターンエッジの先鋭度をもとに第２の非点補正器４０４により非点収差を補正する（Ｓ８０２）。次に傾斜ビーム軌道を形成し、像の移動量を計測する（Ｓ８０３）。像の移動量が大きければ移動量がゼロとなるように傾斜ビーム軌道の形成条件を微調整し（Ｓ８０４）、像の移動量が小さければ移動量を保存して次の動作に移行する。これは対物レンズ内に非点収差があっても、全体で非点収差がなければ良いとの考え方に基づいている。

この後、試料の測定点をビームの下に移動し（Ｓ８０５）、傾斜ビーム像の移動量をもとに第１の非点補正器で非点収差を補正する（Ｓ８０６）。この際、非点校正用マーク上での像の移動量を基準として、試料上での傾斜ビーム像の移動量から新たに発生した非点収差を求めることになる。図４の場合と同様に、測定点が複数あれば、測定点位置の移動と非点補正を繰り返すことになる。また、傾斜ビームの条件設定は装置の安定性依存してロット毎や日毎でのみ実行すれば良い。

以上の結果、装置の非点収差と試料の非点収差を個別に補正することが可能となり、最終的に試料上の非点収差を非点較差0.5μm以下の精度と1秒以下の時間で補正することが可能となった。

本実施例では非点収差補正に絞って実施したが、焦点補正に関しても同様のことが可能である。すなわち、第１の非点補正器４０７の替わりに対物レンズ１０６や試料３００の電圧などの対物レンズ内での焦点補正手段を、第２の非点補正器の替わりにコンデンサレンズ１０３などの対物レンズ外の焦点補正手段を用い、焦点補正量を与えれば良い。傾斜ビームを用いることにより非点収差と焦点ぼけの同時計測が可能であり、効率化の観点から見ると両収差を同時に扱うことのメリットは大きい。なお、これらのことは本発明全般に当てはまることであり、本実施例に限ったことではない。

図９に第３の実施例に係わる装置の概要構成を、図１０にその動作フローチャートを示す。図９の装置には対物レンズ内の第１の非点補正器４０７は搭載してあるが、第２の非点補正器は搭載していない。

まず、非点校正用マーク４０６をビームの下に移動する（Ｓ１００１）。次にパターンエッジの先鋭度をもとに第１の非点補正器４０７により非点収差を補正する（Ｓ１００２）。次に傾斜ビーム軌道を形成し、像の移動量を計測する（Ｓ１００３）。像の移動量が大きければ移動量がゼロとなるように傾斜ビーム軌道の形成条件を再調整し（Ｓ１００４）、像の移動量が小さければ移動量と再調整値を保存して次の動作に移行する。全体の非点収差を対物レンズ内の非点補正器で補正しているため、対物レンズ内部では逆に大きな非点が発生している可能性が高い。しかし、傾斜ビーム軌道の形成条件の再調整や像の移動量の保存で、試料上の非点補正が可能となる。また、対物レンズ内の非点補正器を残した理由は、実施例２と同様に補正の効果の検証や繰り返しによる補正の高精度化のためである。

この後、試料の測定点をビームの下に移動し（Ｓ１００５）、傾斜ビーム像の移動量をもとに第１の非点補正器で非点収差を補正する（Ｓ１００６）。この際、非点校正用マーク４０６上での像の移動量を基準として、試料上での傾斜ビーム像の移動量から新たに発生した非点収差を求めることになる。図４の場合と同様に、測定点が複数あれば、測定点位置の移動と非点補正を繰り返すことになる。また、傾斜ビームの条件設定は装置の安定性依存してロット毎や日毎でのみ実行すれば良い。

実施例２と比較すると、本実施例では、非点校正用マーク４０６上での傾斜ビーム像の移動量が大きく、計測値に誤差が生じやすいが、非点補正器の数を少なくすることが出来る。本実施例では試料上の非点収差を非点較差1μm以下の精度と1秒以下の時間で補正することが可能となった。

以上説明した実施例において、ビーム軸の調整とチルト軌道の登録のフローは、半導体ウェハ３００を試料室１１０にロードする毎に必要に応じて項目を入力画面で選択する。

図１１に各実施例のユーザインターフェース部２０２に表示する入力画面の概略構成の一例を示す。Loaded Recipeウィンド１１００は走査荷電粒子顕微鏡システムをコントロールするレシピをメモリやネットワークから読み出し・読み込みの操作と表示をするための画面である。Cassette Setupウィンド１１０１は、ウェハカセット内のウェハ毎にレシピの設定を選択したり表示したりする画面である。Wafer Alignmentウィンド１１０２は、ウェハ毎のアライメントのレシピを設定したり表示したりする画面である。特に、本例ではCassette Setupウィンド１１０１やWafer Alignmentウィンド１１０２にビームアライメントのレシピを選択できるBeam AssignリストやBeam Alignmentアイコンが表示されることが特徴である。ウェハカセット内やロット内での半導体ウェハ３００の交換であれば、上記ビーム軸の調整と上記チルト軌道の登録は割愛することができる場合があり、ビームアライメントを実施するフローを詳細に設定することができる。

ビームアライメントの詳細内容を設定するためにBeam Alignment画面１１０３がある。特に、本例では、Parallax Correctionアイコンが表示され、チルト軌道の合焦点位置と方位間の視差較差を校正する動作を選択できるようになっている。Parallax Correctionアイコンと併記してBeam Alignmentアイコンが表示され、荷電粒子ビームの軸調整を設定できるようになっている。チルト軌道の合焦点位置は、従来法のAuto Focusで合焦点状態を作り、チルト軌道で視野移動が発生しないようにビームを偏向することで検出することができる。方位間の視差較差は、従来法のAuto Astigmationにより非点較差を補正した状態を作り、方位毎にチルト軌道で視野移動が発生しないようにビームを偏向することで検出することができる。

Measure SetupアイコンとReview SetupアイコンをLoaded Recipe１１００に表示すると、各実施例の走査荷電粒子顕微鏡システムの自動シーケンスを自由に選択できるようになる。

Measure Setupの内容を設定するために、Measure Setup画面１１０４中に、ウェハ内の測定点の選択をするMeasure Addressアイコンと測定内容を設定するMeasure Executionアイコンと測定結果の出力方法を設定するResult Outputアイコンがあると使いやすい。

Review Setupの内容を設定するために、Review Setup画面１１０５中に、欠陥座標に関するデータベースを選択するためのLoaded Defectlistアイコンと欠陥を検出するアルゴリズムを選択するDetection Methodアイコンと欠陥を観察する範囲を選択するDetection Rangeと欠陥検出用の観察像の設定・保存に関するLow Mag Imageアイコンと欠陥観察像の設定・保存に関するHigh Mag Imageアイコンと欠陥分類処理に関するClassificationアイコンを併記すると使いやすい。

自動シーケンスの動作状況を表示するために、登録しているチルト軌道の合焦点位置と方位間の視差較差を表示することもできる。定期的なメンテナンスのためにチルト軌道の自動構成を開始するボタンも入力画面に設けることができる。この際、上記自動構成の成功と失敗を表示する画面も合わせて設けると良い。

以上詳述した本発明により、非点較差の測定精度を向上させることにより、非点制御の処理時間を１秒以下に短縮することができる。特に、非点分布を有するウェハでは、非点補正を効果的に実施することが可能となる。その結果、測長時間を大幅に短縮することができる。また、非点補正器を複数用いることで、装置起因の非点収差と試料起因の非点収差を個別に計測・補正することが可能となり、補正精度の向上に効果がある。

本発明は荷電粒子ビームを用いて、試料（半導体ウエハやレチクル等）表面の微細パターンの形状やその寸法を測定する荷電粒子ビーム装置として有用である。

１０…荷電粒子線光学系、１１…一次荷電粒子線、１２…二次荷電粒子、１３…半導体ウェハ、２０…制御系、３０…搬送系、４０…試料室、１０１…荷電粒子源、１０２ａ、１０２ｂ…引出電極、１０３…コンデンサレンズ、１０４…アライメントコイル、１０５…偏向コイル、１０６…対物レンズ、１０７…二次荷電粒子検出器、１０８…高さ検出用レーザ発光器、１０９…ポジションセンサ、２０１…統括制御部、２０２…ユーザインターフェース部、２０３…荷電粒子線光学系制御装置、２０４…ステージ制御装置、２０５…加速電圧制御装置、２０６…コンデンサレンズ制御部、２０７…増幅器、２０８…アライメント制御部、２０９…偏向信号制御部、２１０…対物レンズ制御部、２１１…二次荷電粒子像表示装置、２１２…リターディング制御部、２１３…非点補正器制御部、２１４…表面電位計、３０１…ウェハカセット３０１、３０２…搬送アーム、３０３…ウェハ搬送装置、３０４…プローブ、３０５…試料交換室、３０６ａ、３０６ｂ…ゲートバルブ、３０７…アライナ、４０４…第２の非点補正器、４０５…対物レンズの物面、４０６…非点校正用マーク、４０７：…１の非点補正器。

Claims (14)

1. 荷電粒子ビームを用いた荷電粒子ビーム装置であって、
   試料上に上記荷電粒子ビームを照射する電子光学系と、
   上記試料上の２方向から上記荷電粒子ビームを照射する電子光学系設定を登録し保持する記憶部と、
   ２方向からの上記荷電粒子ビームの照射で得た観察像を比較して、前記観察像間の視差により生じる移動量と、前記視差により生じる、前記２方向の一方の方位角に対する移動の角度を測定し、
   上記移動量と上記角度から非点補正量を算出する処理部とを有する、
   ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
2. 請求項１記載の荷電粒子ビーム装置であって、
   上記処理部は、上記荷電粒子ビームとして、上記試料上の法線方向からの垂直ビームと上記法線から傾いた傾斜ビームの照射で得た観察像を比較して上記移動量を測定する、
   ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
3. 請求項１記載の荷電粒子ビーム装置であって、
   上記処理部は、上記試料上の法線から傾斜させた角度である方位角が４５°または１３５°となる２つの軌道の傾斜ビームで得た観察像を比較して上記移動量を測定する、
   ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
4. 請求項１記載の荷電粒子ビーム装置であって、
   上記処理部は、上記試料上の法線から傾斜させた角度である方位角が４５°または１３５°となる２つの基準軌道の傾斜ビームと、上記基準軌道に対する上記方位角が９０°または−９０°になる２つの軌道から上記移動量を求める、
   ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
5. 請求項１記載の荷電粒子ビーム装置であって、
   上記処理部は、上記電子光学系の少なくとも２つの焦点条件で、上記試料上の法線から傾斜させた角度である方位角が４５°または１３５°となる２つの軌道の傾斜ビームにより取得した観察像の上記移動量より、非点補正量を算出する、
   ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
6. 請求項１記載の荷電粒子ビーム装置であって、
   上記処理部は、上記電子光学系の少なくとも２つの焦点条件で、上記試料上の法線から傾斜させた角度である方位角が４５°または１３５°となる２つの基準軌道の傾斜ビームと上記基準軌道に対する上記方位角が９０°または−９０°になる２つの軌道により取得した観察像の上記移動量より、非点補正量を算出する、
   ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
7. 請求項３記載の荷電粒子ビーム装置であって、
   上記処理部は、上記非点補正量と共に焦点補正量を算出する、
   ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
8. 荷電粒子ビームを用いた荷電粒子ビーム装置であって、
   試料を搭載するステージと、
   上記試料を上記ステージ上へ搬送する搬送機構と、
   上記ステージ上の上記試料に上記荷電粒子ビームを照射し、上記試料から発生する二次荷電粒子を検出する荷電粒子ビーム光学系と、
   上記荷電粒子ビーム光学系の設定パラメータを定めて上記荷電粒子ビーム光学系を制御する制御装置と、
   上記荷電粒子ビーム光学系内の対物レンズ内と対物レンズ外に少なくとも１つずつ非点補正器を有し、
   上記制御装置は、上記荷電粒子ビームとして、上記試料上の法線から傾斜させた傾斜ビームを照射する電子光学系設定を登録して保持する記憶部と、上記傾斜ビームで得た観察像を比較して、前記観察像間の視差により生じる移動量と、前記視差により生じる、前記２方向の一方の方位角に対する移動の角度を測定し、上記移動量と上記角度から非点補正量を算出する処理部を有する、
   ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
9. 請求項８記載の荷電粒子ビーム装置であって、
   上記荷電粒子ビーム装置の非点収差と上記試料上の非点収差とをそれぞれ異なる上記非点補正器で補正する、
   ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
10. 請求項８記載の荷電粒子ビーム装置であって、
    上記処理部は、上記試料上の法線から傾斜させた角度である方位角が４５°または１３５°となる２つの軌道の傾斜ビームで得た観察像を比較して上記移動量を求める、
    ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
11. 請求項８記載の荷電粒子ビーム装置であって、
    上記処理部は、上記試料上の法線から傾斜させた角度である方位角が４５°または１３５°となる２つの基準軌道の傾斜ビームと、上記基準軌道に対する上記方位角が９０°または−９０°になる２つの軌道から上記移動量を求める、
    ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
12. 請求項８記載の荷電粒子ビーム装置であって、
    上記処理部は、上記電子光学系の少なくとも２つの焦点条件で、上記試料上の法線から傾斜させた角度である方位角が４５°または１３５°となる２つの軌道の傾斜ビームにより上記移動量を取得する、
    ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
13. 請求項８記載の荷電粒子ビーム装置であって、
    上記処理部は、上記電子光学系の少なくとも２つの焦点条件で、上記試料上の法線から傾斜させた角度である方位角が４５°または１３５°となる２つの基準軌道の傾斜ビームと上記基準軌道に対する方位角が９０°または−９０°になる２つの軌道により上記移動量を取得する、
    ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
14. 荷電粒子ビームを利用する荷電粒子ビーム装置であって、
    試料を搭載するステージと、
    上記ステージ上の上記試料に上記荷電粒子ビームを照射し、上記試料から発生する二次荷電粒子を検出する荷電粒子ビーム光学系と、
    上記荷電粒子ビーム光学系の設定パラメータを定めて上記荷電粒子ビーム光学系を制御し、検出した上記二次荷電粒子から上記試料の画像を得る制御装置とを有し、
    上記制御装置は、上記荷電粒子ビームとして、試料上の法線から傾斜させた傾斜ビームを照射する電子光学系設定を登録し保持する記憶部と、非点校正用マークを用い、上記傾斜ビームで得た観察像を比較して、前記観察像間の視差により生じる移動量と、前記視差により生じる、前記２方向の一方の方位角に対する移動の角度を測定し、上記移動量と上記角度から非点補正量を算出すると共に、上記非点校正用マークを用い、上記画像内のパターンエッジの先鋭度から非点収差を求める処理部とを備える、
    ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。

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