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

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。

Images