JP6138471B2 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Description

本発明は、試料に荷電粒子ビームを照射する荷電粒子線装置に係り、特に試料雰囲気を真空にする予備排気室を備えた荷電粒子線装置に関する。

半導体市場では、半導体デバイス等の高集積化や微細化が進み、これら試料の観察、測定、検査を行う荷電粒子線装置の性能改善が求められている。例えば、荷電粒子線装置の一態様である走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）には、高い分解能や測定再現性が要求されている。

ＳＥＭは、電子線を試料に照射し、試料表面の原子を励起して放出されるエネルギーの低い二次電子を発生させる。半導体の回路パターンのように凹凸を持った試料のエッジ部分に電子線が照射されると、エッジ効果によって発生する二次電子量が増大し、凹凸に依存するコントラストを持った像が形成されるが、二次電子信号は非常に微弱なため１回の電子線の試料面上に照射したときに得られる像はノイズを多く含んだものとなる。そのため複数回、同一箇所を走査し、そのとき得られる信号像を加算平均することによりノイズを除去し、鮮明な像が得られるようにしている。

この時、同一箇所で電子線を照射できない場合、その時得られる画像は走査位置のずれ分がボケとなり、分解能劣化、または、測長値の差となってしまう。

また、製造ライン中におけるこれらの装置には処理速度も同時に求められている。そのため、検査対象となるウェハを計測、検査中に次のウェハがすぐ検査できるよう準備するような構成および制御がなされている。

ＳＥＭでは電子線を試料上に照射するため。試料室および電子光学系を含む鏡体内は真空に保たれている。また、次のウェハを無駄時間なく、計測検査済みのウェハと交換するため、予備排気室を設け観察中に大気解放、ウェハ交換、真空排気処理を行っている。

予備排気室における予備排気時には、予備排気のために真空ポンプが稼動しているため、真空ポンプの振動が測定に影響を与えないように、特許文献１には、測定のためのビーム走査を停止させる手法が開示されている。しかし、このビーム走査停止時間は、無駄時間となり、処理速度の低下要因の一つとなる。

特許文献２は、真空排気時、或いはリーク時に、予備排気室が圧力変化により、変形し、ビーム照射位置が変化してしまうという課題に対する解決手段を提案している。具体的には、予備排気室の圧力変化によって生じる電子顕微鏡鏡体（カラム）の傾きを、試料室を傾けることで相殺する手法が特許文献２に開示されている。

特開平３−１５６８４９号公報 特開２００２−３５２７６０号公報

特許文献１に開示されているように、真空ポンプ稼動中にビーム走査を止めてしまうと、その分、無駄時間が生ずることになるため、処理速度が低下する。また、特許文献２に開示されているように、予備排気室の圧力の変形に伴う鏡体の傾きを、試料室を逆に傾斜させキャンセルするような方法もあるが、近年のnm以下の高精度の測定では機構系での対応だけでは難しくより高精度が必要となっている。

さらに、試料室内の試料ステージの位置により、装置全体の重心位置がかわり、それに伴い、鏡体の傾き量が変わる。このステージ位置による照射位置のずれ量の変化としては数nm程度であるが、高精度が求められる近年の測定では無視できなくなってきている。

以下に、予備排気室圧力状態が変化しても、所望の位置に正確に荷電粒子ビームを照射することを目的とする荷電粒子線装置を提案する。

上記目的を達成するための一態様として、以下に試料に対して荷電粒子ビームを照射する荷電粒子ビーム光学系と、荷電粒子ビームが照射される試料周囲の雰囲気を真空に維持する真空室と、当該真空室に導入する試料周囲の雰囲気を真空排気する予備排気室と、前記荷電粒子ビーム光学系を制御する制御装置を備えた荷電粒子線装置であって、前記荷電粒子ビームの照射位置を偏向する偏向器を備え、前記制御装置は、前記予備排気室の予備排気時、及び／又はリーク時に、予め定められた条件に基づいて前記荷電粒子ビームを偏向するように、前記偏向器を制御する荷電粒子線装置を提案する。

上記構成によれば、予備排気室内の圧力変化時であっても、所望の位置の正確に荷電粒子ビームを照射することが可能となる。

走査型電子顕微鏡システムの実施形態を示す図。 予備排気室の圧力が変化したときの鏡体傾斜と、それに伴って発生する荷電粒子ビームの照射位置ずれを示す図。 ビーム照射位置の変化をモニタするためのマークが設けられた試料ステージの一例を示す図。 ビーム照射位置補正量算出工程を示すフローチャート。 ビーム照射位置補正を実行しつつ、電子顕微鏡像を取得する工程を示すフローチャート。 ビーム照射位置校正を自動で実行する工程を示すフローチャート。 予備排気時の予備排気室の圧力変化に伴って視野内にて移動するマークの軌跡を示す図。

以下に、荷電粒子線の照射によって得られる信号に基づいて、パターンを測定または観察する装置であって、試料を観察するために試料を試料室に出入するために排気、大気解放を行う予備排気室を有する荷電粒子線装置について説明する。特に、予備排気室内の圧力が変化しても、試料上に照射する荷電粒子照射位置が目的の位置からずれない荷電粒子線装置について説明する。

予備排気室の圧力の変化は、予備排気室と試料室間を隔てている壁を変形させ、その影響で試料室上面も変形し、その結果、試料室上に設置されている電子源、電子光学系を含む鏡体が傾き、電子線の照射位置ずれが発生してしまう場合がある。そのために、以下に説明する実施例では、試料ステージ位置に依存せず、電子線を試料上の目標の位置に正確に照射し、良好な二次電子像を検出可能とすべく、予備排気室真空状態の変化と試料ステージ位置と試料面に照射される電子線の位置の変化の相関をあらかじめ計測しておき、真空状態と資料ステージ位置にあわせて計測結果にて得られた相関より電子線の電子線の照射位置を視野移動用偏向器（電磁偏向器や静電偏向器）によって補正する。

上記、補正方法として電子線の照射位置を補正するのではなく、取得した画像を加算平均する場合に上記相関から画像を移動させ加算平均し、計測、検査用の画像としてもよい。

また、鏡体の傾きと真空度の関係は機構的なものであるから、時間とともに変化する可能性がある。そのため、通常の測定観察において、予備排気室の真空度が一定の時の測定観察点での取得画像での走査開始第一フレームと走査最終フレームでの画像の位置ずれと予備排気室が排気またはリーク時の測定観察点での取得画像での走査開始第一フレームと走査最終フレームでの画像の位置ずれを比較し、許容値を超えた場合、再度予備排気室真空状態の変化と試料ステージ位置と試料面に照射される電子線の位置の変化の相関を再計測し相関を求め直し補正を行うことにより常に良好な状態で二次電子像が検出可能になる。

本実施例によれば、予備排気室の圧力が変化しても試料上に照射する電子線の位置ずれが発生しないため、予備排気室圧力変化時でも良好な二次電子画像を得ることができ無駄時間を短縮し、処理時間の向上が可能となる
以下、荷電粒子線装置の一態様であるＳＥＭに予備排気室が設けられた装置を図１を用いて説明する。主要な構成部材は試料室２６と鏡体１、予備排気室２７であり、これらは除振器２５を介して、据え付け台２８に保持されることにより、所定の場所に設置される。

試料室２６は密閉した空間を形成し、内部が高真空に保持できるよう構成されている。この天板には鏡体１が、側壁部には予備排気室２７が取り付けられている。またその内部は試料ステージ１７が設けられている。

鏡体１（荷電粒子ビーム光学系）は試料室２６上部に直立して取り付けられ、内部に連通した底の無い筒状の部材でつくられ、内部の頂部近傍に電子源２をそなえ一次加速電極３により加速された一次電子４はコンデンサレンズ５にて収束され、絞り６により、必要な電流に制限され、対物レンズ１９で試料ステージ１７上のウェハ９に焦点を合わせられ照射される。

ウェハ９の搭載が可能な試料ステージ１７は一次電子４の中心軸に対して垂直な面内、つまり水平面内で任意の方位に任意量移動できるように構成してある。この試料ステージ１７により、ウェハ９上の任意の位置に、一次電子が照射できるようになる。

しかし、試料ステージ９は数nmの精度で位置決めすることはできないため、試料ステージ９の位置決め誤差分を補正するため、イメージシフトコイル８（視野移動用偏向器）を用いる。この場合、例えばアドレッシングと呼ばれる視野特定法を用いて、視野補正を行う。アドレッシングとは測定対象となるパターンに対して相対的に大きく、且つユニークな形状のパターン（アドレッシングパターン）を低倍率像の中から、パターンマッチング法等を用いて探索する手法である。アドレッシングパターンの位置を特定後、アドレッシングパターンと既知の位置関係にある測定対象パターンへ偏向器による視野移動を行うことによって、ステージの誤差分を補正する。これにより、所望の照射個所に正確にビーム照射を行うことが可能になる。

正確に測定対象個所が特定された後、走査コイル７により一次電子４を測定観察領域に走査する。このときウェハ９より２次電子１６が発生する。発生する２次電子１６は、エッジ効果により、平坦な試料表面よりビームに対して傾斜した面を持つエッジ部分により多く発生するため、エッジ部分が明るい画像を形成することができる。ウェハ９から放出された２次電子１６を、検出器１０で検出し、画像処理１２で処理し、走査ＸＹ信号との関係から表面形状を表す画像を形成することができる。

このようにして取得された画像は表示装置１３に表示することも可能であるし、制御計算機１４に取り込み、寸法の計測、パターン位置の計測、や異物の観察等に用いることもできる。

予備排気室２７と試料室２６との間に設けられているゲートバルブ２３は開閉可能に構成されており、予備排気室２７を大気から真空に排気している途中、或いはリーク時のような試料室２６と予備排気室２７との間に圧力差がある場合に、閉じられるように構成されている。予備排気室２７には、排気装置２１とリークバルブ２２が設けてあり、排気装置２１は真空排気を行うときに、リークバルブ２２は真空状態から大気に戻すときに用いられる。また、予備排気室２７内の圧力をモニタするための真空ゲージ２４が設けられている。

この予備排気室２７には次に検査されるウェハが搬入されて、試料室に搬入されたウェハ９の観察検査が終了した後、ゲートバルブ２３を開くことにより、予備排気室のウェハと試料室のウェハ９が交換される。

ここで、予備排気室２７に外部からウェハを搬送もしくは予備排気室からウェハを取り出すには、試料室２６間のゲートバルブ２３を閉じ、リークバルブ２２にて予備排気室２７をエアリークし、大気圧に戻し実行する。試料室２６の間のゲートバルブ２３を開くには予備排気室２７は真空にしておく。

図２は予備排気室２７内が真空変化した際に生じる各部の変化の様子を示したものである。ここでは予備排気室２７と試料室２６間の壁の変形に伴い、試料室２６の天板部が主に変形し、図示のように鏡体１が図の左側に傾斜した例を示している。この鏡体１の傾きは、ステージ１７の位置が移動することにより、装置全体の重心位置がかわってしまう。その影響で除振器２５上に搭載されている試料室２６全体が傾斜する影響により、傾き量がかわってしまう。このように鏡体１が傾いてしまうと、一次電子４のウェハ９への照射位置が元の位置からずれてしまい、このずれは画面表示上では二次電子像が移動することを示しており、このままでは、測定精度や誤検査の恐れが生じてしまう。

このような装置において、前記、一次電子４のウェハ９への照射位置ずれ補正を行うためのデータの収集方法を図４に示し、図５に本補正データを用いた実際の観察検査フローを示す。

図３に示すように、ステージ９上に計測用マーク２９を複数個あらかじめ設置しておく。それぞれのマークの座標は（Ｘｉ，Ｙｉ）（ｉ＝１，２，・・・)は既知の座標であり、マークの形状は一次電子4のＸＹ、それぞれの移動量が計測しやすいものとする。本例では十字パターンとしてあるが、他に移動量がわかるものであればドット形状でもかまわない。

最初にステージ１７を計測用マーク２９座標（Ｘ１，Ｙ１）が一次電子４の直下にくるように移動させる（Ｓ１０１）。その後、予備排気室の真空排気を停止し、リーク弁をあけリークを開始する（Ｓ１０２）。開始後、マーク上を一次電子にて、マークが観察できるよう２次元状に走査し、その時の画像を取り込む（Ｓ１０３）。次に予備排気室の真空度Ｐｌと時刻ｔｌを取り込む（Ｓ１０４）。予備排気室のリークが完了するまで一次電子走査、画像取り込みを繰り返す（Ｓ１０５）。

次にリーク弁を閉じ、ポンプを動作させ、排気を開始する（Ｓ１０６）。その後、リーク時と同じように、マーク上を一次電子にて、マークが観察できるよう２次元状に走査し、その時の画像を取り込む（Ｓ１０７）。次に予備排気室の真空度Ｐｅと時刻ｔｅを取り込む（Ｓ１０８）。予備排気室の真空が目標真空に達して排気が完了するまで一次電子走査、画像取り込みを繰り返す（Ｓ１０９）。

このようにして得られた画像からそれぞれの画像でのマークの見え方から画像マッチング処理等によりマークの画像上での移動量をリーク時の（ｄｘｌ，ｄｙｌ）と排気時の（ｄｘｅ，ｄｙｅ）を算出する。算出した値より真空度Ｐｌ、Ｐｅと以下の関係を求める（Ｓ１１０）。

（ｄｘｌ，ｄｙｌ）＝Ｆ１（Ｐｌ）・・・〔式１〕
（ｄｘｅ, ｄｙｅ）＝Ｇ１（Ｐｅ）・・・〔式２〕
を求める。関係は近似式でも、テーブル形式でも良い。

次にステージを次のマーク（Ｘ２，Ｙ２）が一次電子ビーム直下にくるように移動させ（Ｓ１０１）、同様の処理を実施し、同じように移動量と圧力の関係であるＦ２，Ｇ２を求める。

このようにしてステージ上にある全マークｎ個分の関係Ｆｎ，Ｇｎを求める。このようにして算出された値は、制御計算機１４等に内蔵されている記憶媒体に記憶される。以上のようにして算出された（Ｆ１，Ｆ２・・・Ｆｎ），（Ｇ１，Ｇ２・・・Ｇｎ）を利用して実際に像を観察する時のフローを図５に示す。

観察すべき場所が一次電子の直下にくるようにステージを観察座標（Ｘ，Ｙ）に移動させる（Ｓ２０１）。次に補正処理プログラムに対して補正処理を開始するよう要求する（Ｓ２０２）。補正処理プログラムは補正処理開始待ち（Ｓ２０６）を解除し、現在、予備排気室が、大気状態か真空状態か、排気状態か、リーク状態かといった状態と、予備排気室の真空度を取り込む（Ｓ２０７）。補正処理は、リーク状態であれば、現在のステージ座標と（Ｆ１，Ｆ２・・・Ｆｎ）と現在の真空度から補正量を算出する。

最初に（Ｆ１，Ｆ２・・・Ｆｎ）と現在の真空度からそれぞれのマーク座標における補正量を算出する。次に観察座標（Ｘ，Ｙ）と計測用マーク２９の座標（Ｘｎ，Ｙｎ）の関係から補正量を補間にて算出し決定する（Ｓ２０９）。排気状態であれば、現在のステージ座標と（Ｇ1，Ｇ2・・・Ｇｎ）と現在の真空度から補正量を算出する。補正量の算出は排気状態と同様の計算にて実施する（Ｓ２１０）。

真空状態の場合は、補正は実施しない。大気状態の場合は（Ｆ１，Ｆ２・・・Ｆｎ）もしくは（Ｇ１，Ｇ２・・・Ｇｎ）の関係を用い、真空状態時と大気状態での位置の差分（オフセット分）をあらかじめ算出しておく。次に観察座標（Ｘ，Ｙ）と計測用マーク２９の座標（Ｘｎ，Ｙｎ）の関係から補正量を補間にて算出し決定する（Ｓ２１１）。このような走査時の一定量の加算は走査時の像ずれには影響しないが、観察検査への目標位値に対しての走査および観察検査対象物を画像およびステージ座標から算出した結果において真空中と大気中で差となるので、補正をしておく。

このようにして算出された補正量をイメージシフトコイル８に対して補正量分移動するように電流を流すように制御回路１５（制御装置）にて制御する（Ｓ２１２）。

本処理を観察検査処理から終了要求がくるまで繰り返す。一方観察検査処理側では、補正開始要求を行ったのち、通常と同様に観察検査の為の電子線の走査および２次電子像をとりこむ（Ｓ２０３）。

このように制御することにより、観察走査時に予備排気室の排気、リークを行っても一次電子は試料上の観察検査対象上をずれることなく走査することができる。

観察検査処理はその後、補正処理に対して、補正終了要求を発行する（Ｓ２０４）。補正処理は本要求を受け補正処理を終了し、再度補正処理開始要求待ち状態になる。

観察検査処理は２次電子像を画像処理部にて加算平均等を行い、観察検査処理を実施する（Ｓ２０５）。

本実施例によれば予備排気室がリーク、もしくは排気中でも予備排気室の真空度が一定のときと同等の画像を取得することができる。本実施例装置は予備排気室２７の真空排気時（大気から所定の真空に至るまでの期間）、或いはリーク時に選択的に上述のような補正量に基づく視野位置補正を行うものである。本実施例では、真空ゲージ２４（圧力計）の検出結果とその際の補正量を予め求めておくことによって、予備排気室の圧力変化時の視野補正を可能としているが、例えば排気時間（リーク時間）と補正量との関係を示す演算式、或いはテーブルを用いて、補正を行うようにしても良い。但し、真空排気時にガスが発生する試料も存在するため、試料室２６の変形に応じて正確な視野補正を行うためには、上述の実施例のように、圧力検出に基づく視野補正を行うことが望ましい。

更に、図７に例示するように、ビーム照射位置の移動軌道７０１が直線的ではない場合には、単位圧力値（時間）ごとのパターン位置７０４を求め、当該パターン位置を曲線近似することで、ビームの移動軌道を求めるようにしても良い。マーク７０２は、真空排気前（リーク前）のマーク位置であり、マーク７０３は、真空排気後（リーク後）のマーク位置である。この移動軌道に沿って反転するように視野補正を行うことによって、正確な視野補正を行うことが可能となる。時間ごとの移動量が異なる場合には、時間ごとの移動速度に応じて補正を行うようにすると良い。

予備排気室２７の排気やリークといった処理に伴う鏡体１の傾きは、機械的なものであり、時間とともに変化する可能性がある。そこで、通常の検査観察時において自動的に校正するためのフローを図６に示す。

レシピによる自動計測ではレシピ内に格納されている観察検査点に対して処理を行うが、最初にレシピ内で指定されているウェハ上の座標に移動し図５で示す観察検査処理を行う（Ｓ３０１）。このとき取得した、走査開始時の画像と、走査最終画像から、目標とする観察検査対象の位置ずれ量（ｄｘ、ｄｙ）を画像処理にて算出する（Ｓ３０２）。予備排気室の状態により、リーク中ずれ（ｓｄｘｌ，ｓｄｙｌ）, 真空排気中ずれ（ｓｄｘｅ，ｓｄｙｅ）,定常ずれ（ｓｄｘｎ，ｓｄｙｎ）に加算する。

全観察検査点が完了するまで観察検査処理（Ｓ３０１）からくりかえす。このようにして算出されたずれ量の加算値からそれぞれの状態での平均ずれ量を算出する（Ｓ３０８）。算出されたずれ量の平均値で、定常ずれの平均とリーク中ずれ, 真空排気中ずれを比較し、あらかじめ設定してある許容値を超えた場合、図４に示す補正量算出処理を実行する（Ｓ３１０）。定常時のずれ量と比較するのはウェハ製造プロセスにより一次電子照射に伴い帯電が発生し、像がドリフトする可能性があるため、プロセス起因の像ドリフトと、予備排気室起因の像ドリフトを区別するためである。

1・・・鏡体、２・・・電子源、３・・・一次電子加速電極、４・・・一次電子、５・・・コンデンサレンズ、６・・・絞り、７・・・走査コイル、８・・・イメージシフトコイル、９・・・ウェーハ(試料)、１０・・・検出機、１１・・・増幅器、１２・・・画像処理プロセッサ、１３・・・画像表示装置、１４・・・制御用計算機、１５・・・制御回路、１６・・・反射電子、１７・・・ステージ、１８・・・一次電子加速電源、１９・・・対物レンズ、２０・・・ポンプ、２１・・・排気装置、２２・・・リークバルブ、２３・・・ゲートバルブ、２４・・・真空ゲージ、２５・・・除振器、２６・・・試料室、２７・・・予備排気室、２８・・・据え付け台、２９・・・計測用マーク

Claims (8)

1. 荷電粒子ビームを照射する荷電粒子ビーム光学系と、荷電粒子ビームが照射される試料周囲の雰囲気を真空に維持する真空室と、当該真空室に導入する試料周囲の雰囲気を真空排気する予備排気室と、前記荷電粒子ビーム光学系を制御する制御装置を備えた荷電粒子線装置において、
   前記荷電粒子ビームの照射位置を偏向する偏向器を備え、前記制御装置は、前記予備排気室の予備排気時、及び／又はリーク時に、予め求められた複数の座標ごとの前記予備排気室の圧力と前記照射位置の移動量との関係情報を用いて、前記荷電粒子ビームの照射位置に応じて前記荷電粒子ビームを偏向するように、前記偏向器を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 請求項１において、
   前記制御装置は、前記予備排気室の予備排気時、及び／又はリーク時の予備排気室の圧力に応じて、前記荷電粒子ビームを偏向するように、前記偏向器を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 請求項１において、
   前記制御装置は、前記予備排気室の予備排気時間、及び／又はリーク時間に応じて、前記荷電粒子ビームを偏向するように、前記偏向器を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 請求項１において、
   前記制御装置は、前記予備排気室の圧力、或いは圧力の変化時間に因らず、前記荷電粒子ビームの走査位置が一定となるように、前記偏向器を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 請求項１において、
   前記真空室内には試料を配置するための試料ステージが設けられ、当該試料ステージには、前記荷電粒子ビームの走査によって画像化が可能なマークが設けられていることを特徴とする荷電粒子線装置。
6. 請求項５において、
   前記制御装置は、前記予備排気室の予備排気時、及び／又はリーク時の前記マークの移動に基づいて、前記偏向器の偏向条件を求めることを特徴とする荷電粒子線装置。
7. 請求項１において、
   前記制御装置は、前記予め定められた条件に基づいて前記荷電粒子ビームを偏向することによって得られる複数の画像を加算平均することを特徴とする荷電粒子線装置。
8. 請求項１において、
   前記荷電粒子ビームを走査する走査偏向器を備え、
   前記制御装置は、当該走査偏向器による走査中であって、前記予備排気室の圧力変化中の前記荷電粒子ビームの走査位置の変化が許容範囲を超える場合に、前記偏向器の偏向条件を求めることを特徴とする荷電粒子線装置。