JP6953324B2 - 走査電子顕微鏡のオートフォーカス方法 - Google Patents

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Description

本発明は、走査電子顕微鏡のオートフォーカス技術に関し、特にインターレース走査を利用したオートフォーカス技術に関する。
走査電子顕微鏡は、ウェーハの表面に形成された配線パターンの寸法測定や、配線パターンの欠陥検出などのウェーハ検査に使用されている。走査電子顕微鏡は、一般に、電子ビームをウェーハの表面上に自動でフォーカスさせるオートフォーカス機能を有している。図11は、従来のオートフォーカス技術を説明するための模式図である。図11に示すように、走査電子顕微鏡は、焦点位置を少しずつずらしながら複数の画像を生成し、画像ごとの鮮鋭度を算出する。より具体的には、走査電子顕微鏡は、各画像を微分処理し、画像上のパターンエッジの鮮鋭度を算出する。そして、走査電子顕微鏡は、最も高い鮮鋭度の画像に対応する焦点位置を決定する。
特開2007−109408号公報
しかしながら、従来のオートフォーカス技術は、図11に示すように、複数の画像を生成するためにある程度の長い時間を必要とする。結果として、ウェーハ検査のスループットが低下してしまう。また、複数の画像を生成するために電子ビームがウェーハに繰り返し照射されるため、ウェーハの表面を形成する膜(例えばレジスト)が帯電してしまう。結果として、画像に現れるパターン形状が歪んだり、輝度が不均一となってしまう。
そこで、本発明は、短時間でフォーカス調整を完了することができ、かつ試料の帯電を防止することができる方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、走査電子顕微鏡のオートフォーカス方法であって、電子ビームの走査位置を、走査方向に垂直な方向に所定の複数ピクセルだけずらしながら、試料を電子ビームで繰り返し走査することで、前記試料の表面に形成されたパターンの間引き画像を生成し、前記電子ビームの焦点位置および照射位置を変えながら、前記パターンの間引き画像を生成する工程を複数回実行することで、前記パターンの複数の間引き画像を生成し、前記複数の間引き画像のそれぞれの複数の鮮鋭度を算出し、前記複数の鮮鋭度に基づいて最適な焦点位置を決定することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記走査電子顕微鏡の偏向器に印加する電圧を変えることにより、前記電子ビームの焦点位置を変えることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、各間引き画像を生成するときの前記電子ビームの走査範囲は、前記走査電子顕微鏡の視野の全体に及ぶことを特徴とする。
各間引き画像は、通常の画像よりも少ない画素から構成されるため、走査電子顕微鏡は、より短い時間で複数の間引き画像を生成することができる。したがって、従来のオートフォーカス技術よりも短い時間でフォーカス調整を完了させることができる。さらに、複数の間引き画像は、パターンの異なる部位の画像であるため、複数の間引き画像を生成する際に、試料の同じ場所が電子ビームで繰り返し照射されることがない。言い換えれば、電子ビームの走査線は重ならない。したがって、試料の帯電が防止され、試料の正確な画像を生成することができる。
走査電子顕微鏡を備えた画像生成システムの一実施形態を示す模式図である。 パターンの1枚目の間引き画像を生成する工程を説明する図である。 図2に示す工程によって生成されたパターンの間引き画像を示す図である。 パターンの2枚目の間引き画像を生成する工程を説明する図である。 図4に示す工程によって生成されたパターンの間引き画像を示す図である。 パターンの3枚目の間引き画像を生成する工程を説明する図である。 図6に示す工程によって生成されたパターンの間引き画像を示す図である。 複数の間引き画像を示す図である。 複数の鮮鋭度に基づいて最適な焦点位置を決定する工程を説明する図である。 図1に示すコンピュータの一実施形態を示す模式図である。 従来のオートフォーカス技術を説明するための模式図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図1は、走査電子顕微鏡を備えた画像生成システムの一実施形態を示す模式図である。図1に示すように、画像生成システムは、電子ビームにより試料を互いに垂直なX方向およびY方向に走査することで画像を生成する走査電子顕微鏡100と、走査電子顕微鏡の動作を制御するコンピュータ150とを備えている。走査電子顕微鏡100は、一次電子(荷電粒子)からなる電子ビームを発する電子銃111と、電子銃111から放出された電子ビームを集束する集束レンズ112、電子ビームをX方向に偏向するX偏向器113、電子ビームをY方向に偏向するY偏向器114、電子ビームを試料の一例であるウェーハ124にフォーカスさせる対物レンズ115を有する。
X偏向器113およびY偏向器114は、対物レンズ115の下方に配置されている。一実施形態では、X偏向器113およびY偏向器114は、対物レンズ115の上方に配置されてもよい。X偏向器113が電子ビームを偏向させるX方向と、Y偏向器114が電子ビームを偏向させるY方向は、互いに垂直である。
集束レンズ112および対物レンズ115はレンズ制御装置116に接続され、集束レンズ112および対物レンズ115の動作はレンズ制御装置116によって制御される。このレンズ制御装置116はコンピュータ150に接続されている。X偏向器113、Y偏向器114は、偏向制御装置117に接続されており、X偏向器113、Y偏向器114の偏向動作は偏向制御装置117によって制御される。この偏向制御装置117も同様にコンピュータ150に接続されている。二次電子検出器130と反射電子検出器131は画像取得装置118に接続されている。画像取得装置118は二次電子検出器130と反射電子検出器131の出力信号を画像に変換するように構成される。この画像取得装置118も同様にコンピュータ150に接続されている。
試料チャンバー120内に配置されるXYステージ121は、ステージ制御装置122に接続されており、XYステージ121の位置はステージ制御装置122によって制御される。このステージ制御装置122はコンピュータ150に接続されている。ウェーハ124を、試料チャンバー120内のXYステージ121に載置するための試料搬送装置140も同様にコンピュータ150に接続されている。
電子銃111から放出された電子ビームは集束レンズ112で集束された後に、対物レンズ115により集束されつつX偏向器113、Y偏向器114で偏向されてウェーハ124の表面に照射される。ウェーハ124に電子ビームの一次電子が照射されると、ウェーハ124からは二次電子および反射電子が放出される。二次電子は二次電子検出器130により検出され、反射電子は反射電子検出器131により検出される。二次電子の検出信号、および反射電子の検出信号は、画像取得装置118に入力され画像に変換される。画像はコンピュータ150に送信される。
上述のように構成された画像生成システムは、ウェーハ124の表面に形成されたパターン上に電子ビームを自動でフォーカスさせるオートフォーカス機能を有している。本実施形態のオートフォーカス機能は、インターレース走査を利用する。すなわち、画像生成システムは、ウェーハ124に形成されたパターンの異なる部位の複数の間引き画像を生成し、得られた複数の間引き画像の鮮鋭度に基づいて最適な焦点位置を決定する。以下、本実施形態に係るオートフォーカス機能について説明する。
電子銃111から放出された電子ビームは集束レンズ112で集束された後に、対物レンズ115により集束されつつX偏向器113、Y偏向器114で偏向されてウェーハ124の表面に照射される。このとき、図2に示すように、X偏向器113およびY偏向器114は、電子ビームの走査位置を、走査方向であるX方向に垂直なY方向に所定の複数ピクセルだけずらしながら、ウェーハ124上のパターン160を電子ビームでX方向に繰り返し走査することで、図3に示すようなパターン160の間引き画像を生成する。図2に示す例では、所定の複数ピクセルは、nピクセル(nは自然数)である。間引き画像は、走査電子顕微鏡100の視野165内でウェーハ124を所定の間隔で走査することで得られるので、パターン160の一部のみが間引き画像に現れる。
パターン160の間引き画像を生成するときの電子ビームの走査範囲は、走査電子顕微鏡100の視野165の全体に及ぶ。すなわち、1枚の間引き画像を生成するために、図2に示すように、電子ビームは、予め設定された視野165の一端から他端まで走査する。したがって、1枚の間引き画像を生成するときの電子ビームの走査線は、視野165の全体に均等に分布する。このように、電子ビームの走査範囲が視野165の全体に及ぶので、パターン160が視野165の中心にない場合であっても、パターン160の間引き画像が得られる。視野165の大きさに比較してパターン160が小さすぎる場合は、Y方向への走査位置の移動距離(走査間隔)を表す上記所定の複数ピクセル(すなわちn)の数を小さくすることにより、パターン160の間引き画像を確実に生成することができる。
走査電子顕微鏡100は、さらに、電子ビームの焦点位置および照射位置を変えながら、パターン160の間引き画像を生成する工程を複数回実行することで、パターン160の複数の間引き画像を生成する。より具体的には、走査電子顕微鏡100は、電子ビームの最初の走査位置をY方向に1ピクセルだけずらしながら、かつ電子ビームの焦点位置を変えながら、パターン160の間引き画像を生成する工程を繰り返し実行することで、パターン160の複数の間引き画像を生成する。
図4は、パターン160の2枚目の間引き画像を生成する工程を説明する図である。図4に示すように、電子ビームの最初の走査位置は、Y方向に1ピクセルだけ移動される。そして、図2に示す工程と同様に、電子ビームの走査位置をY方向にnピクセルだけずらしながら、ウェーハ124上のパターン160を電子ビームでX方向に繰り返し走査することで、図5に示すようなパターン160の間引き画像を生成する。図2と図4との対比から分かるように、1枚目の間引き画像を生成する工程と2枚目の間引き画像を生成する工程とでは、電子ビームはパターン160の異なる部位を走査する。したがって、図5に示す間引き画像に現れるパターン160の部位は、図3に示す間引き画像に現れるパターン160の部位とは異なる。
図6は、パターン160の3枚目の間引き画像を生成する工程を説明する図である。図6に示すように、電子ビームの最初の走査位置は、Y方向にさらに1ピクセルだけ移動される。そして、図2および図4に示す工程と同様に、電子ビームの走査位置をY方向にnピクセルだけずらしながら、ウェーハ124上のパターン160を電子ビームでX方向に繰り返し走査することで、図7に示すようなパターン160の間引き画像を生成する。図7に示す間引き画像に現れるパターン160の部位は、図3および図5に示す間引き画像に現れるパターン160の部位とは異なる。
電子ビームの焦点位置を変えながら同様の工程が繰り返されることで、図8に示すような複数の間引き画像が得られる。これらの間引き画像を組み合わせると、パターン160が繰り返し現れる1枚の画像が形成される。このように、パターン160の異なる部位の複数の間引き画像を生成し、これらの間引き画像を組み合わせて1枚の画像を得る技術は、インターレース走査と呼ばれる。
本実施形態では、間引き画像の生成を繰り返すときに、X偏向器113およびY偏向器114に印加する電圧を変えることによって、電子ビームの焦点位置を変える。より具体的には、間引き画像の生成を繰り返すたびに、コンピュータ150は偏向制御装置117に指令を発し、偏向制御装置117からX偏向器113およびY偏向器114に印加される電圧を変化させる。
X偏向器113およびY偏向器114は、通常、電子ビームを偏向させる目的で使用されるのであるが、X偏向器113およびY偏向器114は電子ビームの焦点位置を変化させる機能も有する。すなわち、本実施形態では、間引き画像の生成を繰り返す際、X偏向器113およびY偏向器114は、電子ビームを偏向させながら、電子ビームの焦点位置を変化させる。対物レンズ115ではなく、X偏向器113およびY偏向器114を用いて電子ビームの焦点位置を変える理由は、X偏向器113およびY偏向器114は、印加される電圧の変化に対して速やかに応答することができ、対物レンズ115に比べて、電子ビームの焦点位置を速やかに変化させることができるからである。
パターン160の間引き画像の生成が繰り返されるたびに、電子ビームの焦点位置が変えられるので、図8に示すように、それぞれの間引き画像の鮮鋭度は異なる。鮮鋭度は、画像に現れるパターン160のエッジの鮮明さを表す指標である。すなわち、鮮鋭度が大きいほど、電子ビームの焦点位置はパターン表面に近い。コンピュータ150は、複数の間引き画像のそれぞれの複数の鮮鋭度を算出し、複数の鮮鋭度に基づいて最適な焦点位置を決定するように構成されている。
図9は、複数の鮮鋭度に基づいて最適な焦点位置を決定する工程の一実施形態を説明する図である。コンピュータ150は、その内部に図9に示す座標系を予め格納している。座標系の縦軸は鮮鋭度を表し、横軸は焦点位置を表している。コンピュータ150は、各間引き画像内の画素間の輝度の差を算出し、得られた差を合算することで、各間引き画像上のパターン160エッジの鮮鋭度を算出する。コンピュータ150は、複数の間引き画像の複数の鮮鋭度と、対応する複数の焦点位置とから定まる複数の点を座標系上にプロットし、複数の点の近似曲線170を作成し、近似曲線170のピーク点に対応する焦点位置を決定する。この決定された焦点位置が、最適な焦点位置である。コンピュータ150は、レンズ制御装置116に指令を発してレンズ制御装置116に対物レンズ115を操作させ、上記決定された焦点位置を達成する。
各間引き画像は、図11に示すような通常の画像よりも少ない画素から構成されるため、走査電子顕微鏡100は、より短い時間で複数の間引き画像を生成することができる。したがって、従来のオートフォーカス技術よりも短い時間でフォーカス調整を完了させることができる。さらに、複数の間引き画像は、ウェーハ124上のパターン160の異なる部位の画像であるため、複数の間引き画像を生成する際に、ウェーハ124の同じ場所が電子ビームで繰り返し照射されることがない。言い換えれば、電子ビームの走査線は重ならない。したがって、ウェーハ124の帯電が防止され、試料の正確な画像を生成することができる。
図10は、コンピュータ150の構成を示す模式図である。コンピュータ150は、プログラムやデータなどが格納される記憶装置1162と、記憶装置1162に格納されているプログラムに従って演算を行うCPU(中央処理装置)などの処理装置1120と、データ、プログラム、および各種情報を記憶装置1162に入力するための入力装置1163と、処理結果や処理されたデータを出力するための出力装置1140と、インターネットなどのネットワークに接続するための通信装置1150を備えている。
記憶装置1162は、処理装置1120がアクセス可能な主記憶装置1111と、データおよびプログラムを格納する補助記憶装置1112を備えている。主記憶装置1111は、例えばランダムアクセスメモリ(RAM)であり、補助記憶装置1112は、ハードディスクドライブ(HDD)またはソリッドステートドライブ(SSD)などのストレージ装置である。
入力装置1163は、キーボード、マウスを備えており、さらに、記録媒体からデータを読み込むための記録媒体読み込み装置1132と、記録媒体が接続される記録媒体ポート1134を備えている。記録媒体は、非一時的な有形物であるコンピュータ読み取り可能な記録媒体であり、例えば、光ディスク(例えば、CD−ROM、DVD−ROM)や、半導体メモリ(例えば、USBフラッシュドライブ、メモリーカード)である。記録媒体読み込み装置1132の例としては、CDドライブ、DVDドライブなどの光学ドライブや、カードリーダーが挙げられる。記録媒体ポート1134の例としては、USB端子が挙げられる。記録媒体に電気的に格納されているプログラムおよび/またはデータは、入力装置1163を介してコンピュータ150に導入され、記憶装置1162の補助記憶装置1112に格納される。出力装置1140は、表示装置1164、印刷装置1142を備えている。
上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。
100 走査電子顕微鏡
111 電子銃
112 集束レンズ
113 X偏向器
114 Y偏向器
115 対物レンズ
116 レンズ制御装置
117 偏向制御装置
118 画像取得装置
120 試料チャンバー
121 XYステージ
122 ステージ制御装置
124 ウェーハ
130 二次電子検出器
131 反射電子検出器
140 試料搬送装置
150 コンピュータ
160 パターン
165 視野
170 近似曲線

Claims (3)

  1. 走査電子顕微鏡のオートフォーカス方法であって、
    電子ビームの走査位置を、走査方向に垂直な方向に所定の複数ピクセルだけずらしながら、試料を電子ビームで繰り返し走査することで、前記試料の表面に形成されたパターンの間引き画像を生成し、
    前記電子ビームの焦点位置および照射位置を変えながら、前記パターンの間引き画像を生成する工程を複数回実行することで、前記パターンの複数の間引き画像を生成し、
    前記複数の間引き画像のそれぞれの複数の鮮鋭度を算出し、
    前記複数の鮮鋭度に基づいて最適な焦点位置を決定することを特徴とする方法。
  2. 前記走査電子顕微鏡の偏向器に印加する電圧を変えることにより、前記電子ビームの焦点位置を変えることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 各間引き画像を生成するときの前記電子ビームの走査範囲は、前記走査電子顕微鏡の視野の全体に及ぶことを特徴とする請求項1に記載の方法。
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