JP6740448B2 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Description

本開示は、荷電粒子線装置に係り、特に静電チャック機構を備えた荷電粒子線装置に関する。

半導体ウエハの測定や検査を行うための走査電子顕微鏡には、電子ビームの照射対象である半導体ウエハを支持するための支持機構として、静電チャック機構を採用しているものがある。静電チャックは、内部に設けた金属電極に電圧を印加し、半導体ウエハ等の被吸着物と静電チャック表面に正、負の電荷を発生させ、この間に働くクーロン力等によって被吸着物を固定する。特許文献１には、静電チャックへの電圧の印加によって、被吸着物の周辺部近傍に発生する電界の電子ビームへの影響を抑制するために、試料外周部を包囲するリング状の補正電極を設けた静電チャック機構が開示されている。静電チャック機構と試料上の直上にある対物レンズとの間には、試料表面に平行な等電位線で表すことができる電界が形成されるが、試料の端部では上記電界が変化し、ビームを偏向する偏向電界となる。上記補正電極に適正な電圧を印加することで、上記ビーム偏向を抑制することができる。

特開２０１５−１７６６８３号公報（対応米国特許ＵＳＰ９，４０１，２９７）

静電チャックの試料吸着面は、誘電層として例えば絶縁性のセラミックによって形成される。一方、補正電極は導電性のアルミニウム等によって形成される。ビームの照射位置によらず、均一にビームの偏向作用を抑制するためには、静電チャックの試料吸着面と補正電極が高精度に位置合わせされている必要があり、そのために特許文献１に説明されているように、誘電層を形成する部材と、補正電極は直接的に結合されている。しかしながら、発明者らの検討によって、このような構成では誘電層に対して温度が異なる試料が吸着面に搭載されると、誘電層と誘電層を形成する部材に取り付けられている補正電極へ熱が伝達し、バイメタルのように反りが発生する可能性があることがわかった。試料を支持する吸着面に反りが発生すると、試料も吸着面に沿って変形する。試料が反ってしまうと試料の高さが変化することになり、ビームのフォーカスが合わない場合がある。特許文献１では、このような吸着面の反りの抑制については何ら論じられていない。

以下に、静電チャック機構の吸着面に温度の異なる試料が載ることに起因する試料変形の抑制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、静電チャック機構を備えた荷電粒子線装置であって、荷電粒子ビームが照射される試料を当該荷電粒子ビームの照射位置に対して相対的に移動させるステージと、当該ステージ上に配置され、前記静電チャックの誘電層を構成する絶縁体と、当該絶縁体を前記ステージ上で支持する第１の支持部材と、前記試料周囲を包囲すると共に前記絶縁体に非接触に設置され、所定の電圧が印加されるリング状電極と、当該リング状電極を支持する第２の支持部材を備えた荷電粒子線装置を提案する。

上記構成によれば、静電チャック上に配置される試料と静電チャックの吸着面との間に温度差がある場合であっても、試料変形を効果的に抑制することが可能となる。

荷電粒子線装置（測長ＳＥＭ）の概略を示す図。 保持機構（静電チャック機構）の概要を示す図。 荷電粒子線装置の光学系の概要を示す図。 補正電極への電圧印加によって、試料端部の電界を補正する例を示す図。 誘電層を構成するセラミックに補正電極を取り付けた静電チャック機構を示す図。 高温試料が静電チャック上に配置されたときに生ずる試料変形の原理を説明する図。 静電チャックの支持部材（第１の支持部材）とは異なる補正電極支持部材（第２の支持部材）を有する静電チャック機構の一例を示す図。 複数の補正電極支持部材によって補正電極を支持する静電チャック機構の一例を示す図。 補正電極を平坦に保つ平面度補正材を有する静電チャック機構の一例を示す図。 アルミと金属シリコンの混合材からなる補正電極を備えた静電チャック機構の一例を示す図。 Ｎｉメッキされたアルミと金属シリコンの混合材からなる補正電極を備えた静電チャック機構の一例を示す図。

以下に説明する実施例は、静電チャック機構、及び半導体検査・計測装置に係り、特に装置と観察対象との温度差がある場合でも、観察対象へのフォーカス時間が増大してスループットが低減することを抑制できる、静電チャック機構とその周辺機構が機構に関する。

デバイス製造ラインでは、微細パターンの寸法計測やデバイス上の欠陥を検査するために、走査型電子顕微鏡を応用した装置が使われている。たとえば、半導体デバイスのゲートやコンタクトホールの寸法測定（以後、測長と記載）には測長ＳＥＭ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＣＤ−ＳＥＭ）が、欠陥検査には欠陥検査ＳＥＭ等が用いられる。また、電位コントラストを利用し、配線用深穴の導通検査にも走査型電子顕微鏡が用いられるようになっている。

図１は、荷電粒子線装置の一態様である電子顕微鏡を示す図である。以下の説明では、電子顕微鏡が上記測長ＳＥＭであるものとして説明する。測長ＳＥＭ１００は、観察対象２０２を保持する保持機構２０１を備え装置内を多軸方向に駆動する機能をもつステージ２００、観察対象２０２に対して電子を放出する電子光学系３００、真空チャンバー１０１を備えている。図中の点線は、内部を可視化するため、真空チャンバー１０１を切り欠いた、切り欠き線である。測長ＳＥＭ１００は、装置外の試料ストッカー１０４から観察対象２０２を観察対象の移動経路１０５に沿って取り込み、観察対象２０２を、ステージ２００が備える静電チャック２０１を用いて保持し、電子光学系３００に対して位置決めした後に、電子光学系３００を観察対象２０２の所望の部位にフォーカスして測長を行う。

次に観察対象の保持機構の説明を行う。図２に保持機構の概要を示す。測長ＳＥＭでは、観察対象である半導体ウエハ（以後、ウエハと記載）等の保持機構として、静電チャック２０３が用いられることがある。静電チャック２０３は主に誘電層を構成するセラミックスで形成された円盤状の形状で、内部に設けた金属電極に電圧を印加することで、ウエハと静電チャック２０３の表面に正・負の電荷を発生させ、この間に働くクーロン力によってウエハを固定するものである。

ウエハはきわめて高い平面度に成型されているが、ウエハに変形を生じないよう、静電チャック２０３の吸着面もまた、きわめて高い平面度（±数μm）に成型されている。静電チャック２０３の吸着面は、概略ウエハと同じ大きさである。静電チャック２０３はチャック支持部４０２を介してステージ２００に固定される。また、静電チャック２０３の周りには、補正電極２０４が備えられている。補正電極２０４は静電チャック２０３に固定されている。補正電極２０４についての詳細は後述する。

電子光学系３００の概略を図３に示す。 引き出し電極３０２の電圧により電子銃３０１から出た一次電子線３２２（破線で示す）は、コンデンサレンズ３０３、走査偏向器３０５、絞り３０６、対物レンズ３０９等を通過して収束・偏向されて、観察対象であるウエハ２０５の検査位置に照射される。なお、コンデンサレンズ３０３、走査偏向器３０５、絞り３０６、対物レンズ３０９およびシールド電極３１６は、光軸３１８を中心軸とする軸対称形状に形成されている。

このウエハ２０５には、一次電子線３２２の減速用にリターディング電源３２６より減速電圧（以下、リターディング電圧と記す）が印加されている。ウエハ２０５からは一次電子線３２２の照射により二次電子線３２４（破線で示す）が発生し、ウエハ２０５に印加されたリターディング電圧により加速され上方に移動する。加速された二次電子線３２４は、このＥクロスＢ偏向器３０８により偏向され、二次電子検出器３１４に入射する。この二次電子検出器３１４では入射した二次電子３２４が電気信号に変換され、プリアンプ（図示しない）によって増幅されて検査画像の信号用の輝度変調入力となり、検査領域の画像データであるＳＥＭ像が得られる。

ところで、測長ＳＥＭはウエハ２０５の端部以外、例えば中央部などを検査する場合には、ウエハ２０５近傍の等電位面はウエハ２０５の表面に沿って平行に、平らに形成されるため、光軸３１８を中心軸とする軸対称分布となる。しかし、ウエハ２０５の端部を検査する場合には、ウエハ２０５の表面が端部を境に無くなり、端部より外側では等電位面がウエハ２０５の表面に沿って形成できなくなるため、ウエハ２０５近傍の等電位面の軸対称性が乱れてしまう場合がある。等電位面の軸対称性が乱れてしまうと一次電子線３２２が曲げられ、ウエハ２０５上の本来検査すべき位置である、光軸３１８とウエハ２０５の表面とが交わる位置から離れた位置に一次電子線３２２が当たってしまい、結果として観察したい部位がずれる。

この照射位置ずれを抑制するために、ステージ２００のウエハ２０５の周囲には補正電極２０４が設置されており、当該補正電極２０４には電圧可変式の直流電源３４８が接続されている。分析部３２７は、光学系３００とウエハ２０５の表面との距離である、光学系との距離１０００と一次電子線３２２の照射条件とに応じた直流電源３４８の設定電圧を算出し、制御部３２９（制御装置）は直流電源３４８をその設定電圧に制御する。

図４は、補正電極２０４への電圧印加に基づいて、試料縁部の電界を補正した例を示す図である。補正電極２０４への電圧印加によって、ウエハ２０５の端部より外側の空間３４９まで、あたかもウエハ表面が存在するように、ウエハ表面に平行な平らな等電位面ができるように電界を形成することができる。このように電子ビーム光軸にとって非軸対象となる電界を補正することによって、観察したい部位に適切にビームを照射することがで
きる。

図５は補正電極をセラミック製の静電チャックに直接取り付けた例を示す図である（図２のＡ-Ａ断面）。図５において、アルミ製補正電極４００は静電チャック２０３にネジ４０１で直接固定することで、これらの相対距離が設計値から変動することを抑制している。等電位面は、ウエハとアルミ製補正電極４００との距離により影響をうけるので、これらの相対距離が設計値からずれないことが望ましい。しかし、アルミ製補正電極４００は、ウエハと接触しないため直接の位置決めができないので、図５の例では、ウエハと接触固定する静電チャック２０３と直接固定することで、ウエハとアルミ製補正電極４００との相対距離が設計値からずれないようにしている。なお、アルミ製補正電極４００を用いる理由は、磁性材を用いることにより電子光学系から発せられた電子に悪影響しないようにするためである。同様の理由からステージにもアルミが使われる。

アルミ製補正電極４００や静電チャック２０３は、ウエハと相対的な温度差があるときに、温度変化しないように恒温装置４０３を備えるようにしても良い。しかし、発明者らの検討により、恒温装置４０３を備えたとしても完全に温度変化を抑制することは難しく、ウエハの接触に伴う熱の伝導でアルミ製補正電極４００と静電チャック２０３は、温度変化し、すり鉢、あるいはドーム状に反った形に変形することが判明した。

図６に相対温度が高いウエハ２０５が取り込まれた場合の、アルミ製補正電極４００と静電チャック２０３の断面図を示す。変形のメカニズムは、線膨張係数に差があるセラミック静電チャック２０３とアルミ製補正電極４００が、温度変化して伸び量の違いからバイメタル的に変形するものである。なお、線膨張係数はセラミックが７×１０^−６［／Ｋ］、アルミが２×１０^−５［／Ｋ］程度である。静電チャック２０３に吸着されて固定されるウエハ２０５は、静電チャック２０３とアルミ製補正電極４００と比較して薄く変形しやすいので、静電チャック２０３に倣った形に変形する。一般的に、熱の伝播は、伝導、対流、輻射があるが、ウエハ周辺は真空であるため対流はなく、輻射についても一般的な測長ＳＥＭの使用環境である２０℃程度ではほとんど影響が無いので、ウエハ２０５、アルミ製補正電極４００、静電チャック２０３間の熱の伝播では伝導が主である。ウエハ２０５には、図示しない複数の矩形のチップがほぼ全領域に亘って形成されている。複数の測長ポイントがある場合、測長ＳＥＭはステージ２００を移動してウエハ２０５の新たな測長ポイントを電子光学系に対して位置決めした後、電子光学系のフォーカスを行い、測長を繰り返す。そのため、図６に示すように現測長ポイントと新たな測長ポイントの光学系との距離１０００が増減するとフォーカスに要する時間が増大し、結果として測長ＳＥＭのスループットが低下する。
そこで、本実施例では、ウエハとチャック機構の温度差に起因する試料変形を抑制し得る静電チャック機構を備えた荷電粒子線装置について説明する。試料変形が抑制できれば、スループットの低減を抑制することができる。

本実施例では、ウエハを保持する静電チャックとアルミ製の補正電極を備える多軸方向（少なくとも２方向）に駆動できるステージにおいて、セラミック製の静電チャックとアルミ製の補正電極を非接触とすると共に、それぞれを独立に固定する固定部材（支持部材）を備えた。静電チャックとアルミ製の補正電極の直接固定をしないと、両者間の相対位置のずれが生じる可能性があるが、そのずれに伴うウエハ端部付近の等電位面の変動は、アルミ製の補正電極に印加する電圧可変式の直流電源のコントロールにより抑制すると良い。

上記構成によれば、ウエハ外周部の検査性がよく、かつ、温度差があるウエハの測長を行う場合でもスループットの低減を抑制することが可能となる。

図７は、静電チャック機構の一例を示す図であり、セラミック製の静電チャックと、アルミ製補正電極（リング状電極）がそれぞれ異なる支持部材によって支持することによって、セラミックとアルミを非接触にした例を示す図である。図７の例では、セラミック製の静電チャック２０３についてはチャック支持部４０２を介してステージ２００に固定し、アルミ製補正電極４００については、補正電極支持部４０５ と絶縁体４０６を介してステージ２００に固定する。絶縁体４０６は、電圧可変式の直流電源３４８の電圧がアルミ製のステージ２００へ伝導することを防いでいる。この構成は、ステージ２００からの組みつけ誤差が、静電チャック２０３とアルミ製補正電極４００に各々生じることになるので、静電チャック２０３とアルミ製補正電極４００の相対距離が、これらを直接固定した場合と比較して、設計値からずれやすくなり、その結果、静電チャック２０３に固定されるウエハ２０５に対して、アルミ製補正電極４００の電位の補正が適正にならない可能性が生じる。しかし、本実施例では、電圧可変式の直流電源３４８の電圧調整で相対距離の変動に起因する電位の変動を補完するため、問題とならない。この場合、ウエハ端部の異なる位置の複数の点において、ずれに応じた補正量を予めテーブルとして所定の記憶媒体に登録しておき、測定の際の動作プログラムであるレシピに記憶されたアドレス情報に応じて、印加電圧を読みだして、電圧印加するようにすると良い。

なお、図６のアルミ製補正電極４００がリング状である場合（換言すると、静電チャック２０３の全周にわたり図６と同様の断面形状である場合）、静電チャック２０３とステージ２００とアルミ製補正電極４００に囲まれた空間４０７は、概略、封止された状態となる。この場合、真空チャンバーの排気を行う際に、空気が囲まれた空間４０７に溜まった状態となり、真空排気が妨げられることが考えられるが、図８に示すように補正電極支持部を、柱状の補正電極支持部４０８とすることによって、静電チャックの下部空間と、当該下部空間以外の真空チャンバー内空間との間の気体の流通を確保でき、速やかな真空排気を行うことが可能となる。

以上、説明したように、ウエハの温度が静電チャックの温度と異なる場合であっても、試料変形を抑制することができ、結果として測定装置のスループットの低減を抑制することが可能となる。

次に第２の実施例を説明する。第１の実施例では、アルミ製補正電極４００を複数の支持部材で支持する構成について説明したが、第２の実施例では、アルミ製補正電極４００を、セラミック製のリング状の板状体で支持した上で、当該板状体を複数の支持部材によって支持する例について説明する。図９に示すようにアルミ製補正電極４００を平らに保つためのセラミック製の平面度補正材４０９によって、支持している点が第１の実施例と異なる。以下、実施例２の効果について説明する。アルミ系の材料は材料自体に残留している応力の影響で、切削加工等の成型を行っても単独では所望の高い平面度（±数十μｍ）が得られない場合がある。平面度が悪く波打ったアルミ製補正電極４００を用いると、ウエハ端部付近において、ウエハ表面に沿って平らに形成されるべき等電位面が波打つことになり、電圧可変式の直流電源３４８の電圧の増減で対応ができなくなってしまう。しかし、高い平面度に加工しやすいセラミックで成型されたセラミック製の平面度補正材４０９に固定されるアルミ製補正電極４００は波打ち形状になることを抑制できる。以上、説明したように、高精度に平面を形成することができるセラミック製のリング状板状体を、補正電極と支持部材との間に介在させることによって、高い精度で等電位面を平坦化することが可能となる。

次に第３の実施例を説明する。図１０に第３の実施例の概要を示す。実施例３では、線膨張係数が静電チャックと近い、アルミと金属シリコンの混合材（線膨張係数８×１０^−６［／Ｋ］）で成型した。アルミと金属シリコンの混合材製補正電極５００は、セラミックと線膨張係数の差が小さいため、ウエハ温度とチャック温度の差に起因する試料変形の発生を抑制することができる。また、アルミと金属シリコンの混合材は非磁性の導体であるため、電子線へ影響を与えることがない。

次に第４の実施例を説明する。図１１に第４の実施例の概要を示す、補正電極と静電チャックの断面図をしめす。第３の実施例では、アルミと金属シリコンの混合材製補正電極５００を用いたが、実施例４では、アルミと金属シリコンの混合材製補正電極５００の表面がＮｉの無電解メッキで覆われている。Ｎｉメッキされたアルミと金属シリコンの混合剤製補正電極５０１を用いることによって、以下のような効果を得ることができる。以下、実施例４の効果について説明する。アルミと金属シリコンの混合材は多孔質材料で細孔が非常に沢山ある。このため、ガスが放出される場合があり、真空度を低下させる可能性がある。実施例４では、表面をＮｉの無電解メッキで覆うことで、ガスが放出されることを抑制することができる。また、Ｎｉの無電解メッキは非磁性であるため、電子線に影響を及ぼすことがない。

また、補正電極をアルミナのセラミック材とし、表面をＮｉの無電解メッキで覆うことも有効である。この場合、セラミックは導電性を持たないため、Ｎｉの無電解メッキが補正電極の導電性を担うことになる。また、Ｎｉメッキされたセラミックの製補正電極は、非磁性となるため、電子線に影響を及ぼすことがない。

１００…測長ＳＥＭ
１０１…真空チャンバー
１０４…試料ストッカー
１０５…観察対象の移動経路
２００…ステージ
２０１…保持機構
２０２…観察対象
２０３…静電チャック
２０４…補正電極
２０５…ウエハ
３００…電子光学系
３０１…電子銃
３０２…引き出し電極
３０３…コンデンサレンズ
３０５…走査偏向器
３０６…絞り
３０８…ＥクロスＢ偏向器
３０９…対物レンズ
３１４…二次電子検出器
３１６…シールド電極
３１８…光軸
３２２…一次電子線
３２４…加速された二次電子線
３２６…リターディング電源
３２７…分析部
３２９…制御部
３３２…二次電子線
３４８…電圧可変式の直流電源
３４９…外側の空間
３５０…等電位面
４００…アルミ製補正電極
４０１…ネジ
４０２…チャック支持部
４０３…恒温装置
４０５…補正電極支持部
４０６…絶縁体
４０７…囲まれた空間
４０８…柱状の補正電極支持部
４０９…セラミック製の平面度補正材
５００…アルミと金属シリコンの混合剤製補正電極
５０１…表面がＮｉの無電解メッキで覆われているアルミと金属シリコンの混合剤製補正電極
１０００…光学系との距離

Claims (4)

1. 静電チャック機構を備えた荷電粒子線装置において、
   荷電粒子ビームが照射される試料を当該荷電粒子ビームの照射位置に対して相対的に移動させるステージと、
   当該ステージ上に配置され、前記静電チャックの誘電層を構成する絶縁体と、
   当該絶縁体を前記ステージ上で支持する第１の支持部材と、前記試料周囲を包囲すると共に前記絶縁体に非接触に設置され、所定の電圧が印加されるリング状電極と、
   当該リング状電極を支持する第２の支持部材とを備え、
   前記リング状電極と前記第２の支持部材との間に、平坦面を有するリング状の板状体が設置されてい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、
   前記リング状電極に電圧を印加する電源を制御する制御装置を備え、当該制御装置は、記憶媒体に記憶された情報に基づいて、前記荷電粒子ビームの照射位置に応じた電圧を印加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、
   前記第１の支持部材と第２の支持部材は、前記ステージ上に設置された柱状部材であ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、
   前記リング状の板状体はセラミックを含む材料で成形されていることを特徴とする荷電粒子線装置。

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