JP7018098B2 - Autofocus device - Google Patents

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Description

本発明は、オートフォーカス装置に関するものである。 The present invention relates to an autofocus device.

半導体デバイスはムーアの法則に従って、毎年縮小が進み、最先端デバイスでは量産段階のデバイスでも最小フィーチャーサイズが20nmを切ろうとしている。小さなフィーチャーサイズを実現するためには、より小さなパターンを形成できる露光技術が必要である。 According to Moore's Law, semiconductor devices are shrinking every year, and the minimum feature size of cutting-edge devices is about to be less than 20 nm, even for mass-produced devices. In order to realize a small feature size, an exposure technique capable of forming a smaller pattern is required.

従来は波長193nmのレーザー光線が露光に使用されてきたが、光学的に分解できる限度を既に大きく超えているため、近年では波長が13.5nmのEUV光を利用する露光技術が精力的に進められている。この技術は日本発と言われる技術であるが、10年以上昔からASML等で実用化に向けて研究開発されている。露光装置本体光学系はほぼ完成しているが、現状のEUV露光装置は経済的量産に必要とされる100Wから200Wの光源パワーを得ることが出来ないため、20nm世代の露光に使用することはスキップされた。 Conventionally, a laser beam with a wavelength of 193 nm has been used for exposure, but since it has already greatly exceeded the limit of optical decomposition, exposure technology using EUV light with a wavelength of 13.5 nm has been energetically advanced in recent years. ing. This technology is said to have originated in Japan, but it has been researched and developed for practical use in ASML and the like for more than 10 years. Although the optical system of the main body of the exposure device is almost completed, the current EUV exposure device cannot obtain the light source power of 100 W to 200 W required for economical mass production, so it cannot be used for exposure of the 20 nm generation. It was skipped.

その代わりに既存の波長193nm露光プロセスを複数回繰り返し行うことでさらに小さなフィーチャーサイズを実現することができる、いわゆるダブルあるいはトリプル露光技術が実際の生産現場では用いられている。原理上は波長193nmのレーザー光線を用いた液浸リソグラフィーを複数回繰り返すことにより幾らでも小さなパターンを作ることが可能であるが、従来よりも1ケタ高い精度のnmオーダーのアライメント精度が必要なことや化学増幅レジストの大きな分子構造から来る大きなラフネス等が繰り返し露光プロセスの制限になることが知られている。現在は、経済的限度と言われている露光プロセスを2回繰り返すダブルパターニングが実用に供せられており比較的構造の簡単なメモリーデバイスでは、20nmから16nmのライン&スペースを実現するために利用されている。 Instead, a so-called double or triple exposure technique, which can realize a smaller feature size by repeating the existing wavelength 193 nm exposure process a plurality of times, is used in an actual production site. In principle, it is possible to create any number of small patterns by repeating immersion lithography using a laser beam with a wavelength of 193 nm multiple times, but alignment accuracy on the order of nm, which is an order of magnitude higher than before, is required. It is known that the large roughness and the like resulting from the large molecular structure of the chemically amplified resist limit the repeated exposure process. Currently, double patterning, which repeats the exposure process twice, which is said to be the economical limit, is put into practical use. For memory devices with a relatively simple structure, it is used to realize lines and spaces of 20 nm to 16 nm. Has been done.

構造の簡単なメモリーデバイスだけでなく、CPUやロジックデバイスも機能拡充や消費電力低減のためにパターン縮小を行うことが必要である。ロジックデバイスは繰り返しの無い複雑なパターンを利用するためロジックデバイスをダブルあるいはトリプル露光で作るためには相当複雑なパターンが必要である。本来1回の露光で実現出来るパターンを複数回の露光で利用可能な用に2枚のフォトマスク上のパターンに分割するためには非常に複雑な計算が必要である。パターンによっては分割計算が発散するなどして必要な結果が得られない場合がある。 It is necessary to reduce the pattern of not only a memory device having a simple structure but also a CPU and a logic device in order to expand functions and reduce power consumption. Since the logic device uses a complicated pattern without repetition, a considerably complicated pattern is required to make the logic device by double or triple exposure. A very complicated calculation is required to divide a pattern that can be originally realized by one exposure into a pattern on two photomasks so that it can be used by a plurality of exposures. Depending on the pattern, the required result may not be obtained due to divergence of division calculation.

これらの複雑さを回避する目的で、コンプリメンタリーリソグラフィーと呼ばれる、主にインテルが提唱しているリソグラフィー容易化技術が使われようとしている。この露光方法では、複雑なロジック回路をメモリー回路の様なL&Sの簡単なパターンに還元したパターンを利用することに特徴がある。このようにすることで、複雑なロジックデバイスのパターンを最も露光しやすいL&Sパターンとそのラインをカットするプロセスのみに限定しているため、複雑なパターン分割計算が必要なく、プロセスは簡単で、計算上は8nm程度まで行くとされている。 To avoid these complications, a technique called Complementary Lithography, which is mainly advocated by Intel, is about to be used. This exposure method is characterized by using a pattern in which a complicated logic circuit is reduced to a simple pattern of L & S such as a memory circuit. By doing this, the pattern of the complex logic device is limited to the L & S pattern that is most easily exposed and the process of cutting the line, so there is no need for complicated pattern division calculation, and the process is simple and computational. The upper part is said to go up to about 8 nm.

一方、以上述べたように193nm露光技術が延命されると、それに利用されるフォトマスクはレイヤー毎に露光回数分増加し、従来以上に多くのマスク検査や精密な寸法測定が要求されるようになる。例えば、ダブルパターニングでは、2枚のフォトマスクを順次重ねて用いるため、2枚のマスク間のマスク上に形成されているラインの絶対位置精度やアライメント精度が今まで以上に重要である。より細かいパターンを露光するための光学補正も複雑かつ、精密になる。インバースリソグラフィーを用いたマスクなどは、高次の回折高まで使用するため、補正に利用するパターンサイズはさらに小さい。 On the other hand, as described above, when the life of the 193 nm exposure technology is extended, the number of photomasks used for it increases by the number of exposures for each layer, and more mask inspections and precise dimensional measurements are required than before. Become. For example, in double patterning, two photomasks are sequentially overlapped and used, so the absolute position accuracy and alignment accuracy of the lines formed on the mask between the two masks are more important than ever. Optical correction for exposing finer patterns is also complicated and precise. Since masks using inverse lithography are used up to higher diffraction heights, the pattern size used for correction is even smaller.

これらのマスクが正しい寸法で出来ているかどうかを調べるためには、電子顕微鏡技術が必須であるが、高精細画像を取得するためにはオートフォーカス技術が非常に重要である。しかしながら従来のオートフォーカスを用いると、マスクによってはオートフォーカスが失敗するなどの課題があった。オートフォーカスが失敗すると、測定が出来ないばかりか、誤った測定値がプロセス制御に提供されることになり、余計に歩留りが下がる原因になって、大きな損失を被るため失敗は許されない。 Electron microscopy technology is essential to determine if these masks are made to the correct dimensions, but autofocus technology is very important to obtain high-definition images. However, when the conventional autofocus is used, there is a problem that the autofocus fails depending on the mask. If the autofocus fails, not only the measurement cannot be performed, but also the erroneous measured value is provided to the process control, which causes the yield to decrease further and suffers a large loss, so the failure cannot be tolerated.

従来の電子ビーム光学系のオートフォーカスを助ける目的で、電子ビーム照射点のサンプル高さを非接触測定する光学式高さ測定方法が開発されてきている。電子ビームコラム先端には対物レンズがあり、そのポールピース先端部は観察対象試料と非常に位置関係が近いため、数ミリメートルしか間隔が開いていない。その距離を測定するために、従来は、斜めからLEDやレーザー光線を入射して、電子ビーム照射点に当て、その反射光の位置をCCD等の光センサーで検出し、試料の高さを測定する方式が採られてきた。 An optical height measuring method for non-contact measuring the sample height of an electron beam irradiation point has been developed for the purpose of assisting the autofocus of a conventional electron beam optical system. There is an objective lens at the tip of the electron beam column, and the tip of the pole piece is very close to the sample to be observed, so the distance is only a few millimeters. Conventionally, in order to measure the distance, an LED or a laser beam is incident at an angle, applied to an electron beam irradiation point, the position of the reflected light is detected by an optical sensor such as a CCD, and the height of the sample is measured. The method has been adopted.

しかしながら、光線の入射度と高さ測定分解能は比例の関係があるため、入射角度が1度のように小さくなると高さ測定分解能がほとんど取れないという問題があった。 However, since the incident degree of the light beam and the height measurement resolution have a proportional relationship, there is a problem that the height measurement resolution can hardly be obtained when the incident angle becomes as small as 1 degree.

また、サンプルが傾斜していると、サンプル高さ変化と区別がつかないため、高さ成分とサンプル傾斜成分を分離する複雑な補正を必要となるという問題があった。サンプル表面のパターンや材質によっては測定が不安定になることがあった。 Further, when the sample is tilted, it is indistinguishable from the change in the height of the sample, so that there is a problem that a complicated correction for separating the height component and the sample tilt component is required. The measurement may become unstable depending on the pattern and material of the sample surface.

一方、LEDやレーザー光源あるいはそれらを構成する光学系の光路長は数十センチと大きなサイズとなるため、気圧変化による天板の変形や温度膨張による光路長変動、入射角度変動などが、外部環境変化によって容易に引き起こされるため、測定精度が低下するといった問題もあった。もちろんこれらの外部環境変化をセンサー等で測定することで、補正を行うことは可能であるが、システムがさらに複雑になり、高コスト、メインテナンス困難等の課題を余計に引き起こす問題があった。 On the other hand, since the optical path length of the LED, laser light source, or the optical system that composes them is as large as several tens of centimeters, the external environment is affected by deformation of the top plate due to changes in pressure, changes in the optical path length due to temperature expansion, and changes in the incident angle. Since it is easily caused by the change, there is also a problem that the measurement accuracy is lowered. Of course, it is possible to make corrections by measuring these changes in the external environment with a sensor or the like, but the system becomes more complicated, and there are problems such as high cost and difficulty in maintenance.

また、従来のシステムはシステム自身が発熱するため、使用時間につれて、装置周辺部の温度が変化し、測定値に影響を与えるという問題もあった。これらを総合すると精々1ミクロン程度の測定精度しか実現できなくなってしまうという問題もあった。 Further, in the conventional system, since the system itself generates heat, there is a problem that the temperature of the peripheral portion of the device changes with the usage time, which affects the measured value. There is also a problem that the measurement accuracy of only about 1 micron can be realized when these are integrated.

本発明では、電子ビーム装置(荷電粒子線装置)において試料の高さを精密に測定、設定すると共に、高速、精密かつ確実なオートフォーカスすることを目的とする。 An object of the present invention is to accurately measure and set the height of a sample in an electron beam device (charged particle beam device), and to perform high-speed, precise and reliable autofocus.

そのため、本発明は、荷電粒子ビームを細く絞って試料に照射しつつ走査し、そのときに放出、反射、吸収された信号をもとに画像を生成する荷電粒子線装置において、荷電粒子ビームを細く絞って試料に照射しつつ走査する対物レンズおよび走査系を設け、試料から見える、対物レンズの外面の部分あるいは対物レンズに設けた穴の部分に、光線を試料に向けて照射すると共に試料で反射した光線を受光する導光器と、導光器に光線を照射すると共に導光器から放出された光線を受光するセンサーヘッドと、センサーヘッドに光線を放射すると共に当該センサーヘッドから放出された光線を受光し、これら放射した光線および受光した光線をもとに、試料上の光線の照射位置を検出する分光器とを備える。 Therefore, the present invention uses a charged particle beam in a charged particle beam device that narrows down a charged particle beam and scans it while irradiating the sample, and generates an image based on the signals emitted, reflected, and absorbed at that time. An objective lens and a scanning system that scans while irradiating the sample with a finely squeezed light are provided, and the outer surface of the objective lens or the hole provided in the objective lens that can be seen from the sample is irradiated with light rays toward the sample and the sample is used. A light guide that receives the reflected light rays, a sensor head that radiates the light rays to the light guide and receives the light rays emitted from the light guide, and a sensor head that radiates the light rays to the sensor head and emits the light rays from the sensor head. It is provided with a spectroscope that receives light rays and detects the irradiation position of the light rays on the sample based on the emitted light rays and the received light rays.

この際、導光器およびセンサーヘッドを一体とするようにしている。 At this time, the light guide and the sensor head are integrated.

また、導光器は、試料から見える部分に、反射鏡、プリズム、あるいは光ファイバーを装着し、光線を試料に照射すると共に試料で反射した光線を受光するようにしている。 Further, the light guide is equipped with a reflector, a prism, or an optical fiber in a portion visible from the sample so as to irradiate the sample with light rays and receive the light rays reflected by the sample.

また、光線を試料に照射は、光線を試料にほぼ垂直に照射するようにしている。 Further, when the light beam is applied to the sample, the light ray is applied to the sample almost vertically.

また、導光器は、複数個、設けるようにしている。 Further, a plurality of light guides are provided.

また、複数個の導光器の各試料の高さをもとに電子ビーム照射位置の試料の高さを求めるようにしている。 Further, the height of the sample at the electron beam irradiation position is obtained based on the height of each sample of the plurality of light guides.

また、1つあるいは複数の導光器で試料の複数の場所における高さをそれぞれ測定し、試料の場所と高さの関係を予め測定するようにしている。 Further, the height of the sample at a plurality of locations is measured by one or a plurality of light guides, and the relationship between the location and the height of the sample is measured in advance.

また、1つあるいは複数の導光器で測定した各試料の高さ、あるいは予め測定して記憶しておいた試料の高さをもとに、荷電粒子ビームが照射する試料の場所の高さを一定値に調整する高さ調整機構を設けるようにしている。 Also, based on the height of each sample measured by one or more light guides, or the height of the sample measured and stored in advance, the height of the location of the sample irradiated by the charged particle beam. Is provided with a height adjustment mechanism that adjusts to a constant value.

また、1つあるいは複数個の導光器によって測定した試料の高さ、あるいは測定をもとに一定値に設定した試料の高さをもとに、荷電粒子ビームによるオートフォーカスを高速かつ確実に行い、フォーカスのあった画像を生成するようにしている。 In addition, based on the height of the sample measured by one or more light guides, or the height of the sample set to a constant value based on the measurement, autofocus by the charged particle beam can be performed quickly and reliably. This is done to generate a focused image.

本発明は、電子ビーム照射点近傍の試料の高さを1つあるいは複数の光学式高さセンサーで直接測定して設定し、測定あるいは設定した試料の高さをもとに電子ビームによる精密オートフォーカスを行い、試料の高さについて極めて簡単な構成で0.1ミクロンを超える安定した超高精度高さ設定が出来るようになると共に、測定あるいは設定した試料の高さをもとに高速かつ精密かつ確実に電子ビームのオートフォーカスすることができる。 The present invention directly measures and sets the height of a sample near the electron beam irradiation point with one or more optical height sensors, and precision auto with an electron beam based on the measured or set height of the sample. Focusing makes it possible to set a stable ultra-high precision height exceeding 0.1 micron with an extremely simple configuration for the height of the sample, and at the same time, high speed and precision based on the measured or set height of the sample. Moreover, the autofocus of the electron beam can be reliably performed.

また、試料の高さの測定用光線は試料が半導体ウエハーの場合には、従来は光線の照射領域における導電性を変化させ、電子ビームによる測定値に影響を与える場合が発生することがあるが、本発明では、電子ビーム測定点を光線が直接照射しないため、光線で試料の高さをリアルタイムに測定(推定)しながら、一方、電子ビームで試料に照射して測定を並行して行うことができる。 Further, when the sample is a semiconductor wafer, the light beam for measuring the height of the sample may change the conductivity in the irradiation region of the light beam and may affect the measured value by the electron beam. In the present invention, since the light beam does not directly irradiate the electron beam measurement point, the height of the sample is measured (estimated) in real time by the light beam, while the sample is irradiated by the electron beam to perform the measurement in parallel. Can be done.

以下実際の装置について詳細に説明する。 The actual device will be described in detail below.

(1)本発明を利用すると、従来の電子ビームオートフォーカスのみ利用していた場合と比較して、オートフォーカス失敗が無く、高速で正確な電子ビーム合焦点状態を実現できる。電子ビームオートフォーカスを行う前に、十分に電子ビーム合焦点状態に近い状態を作り上げることが出来るため、電子ビームオートフォーカスがフォーカス値を探す範囲を従来の約10分の1程度以下にすることが可能で、その分だけ高速にオートフォーカスが出来る。 (1) By using the present invention, it is possible to realize a high-speed and accurate electron beam in-focus state without autofocus failure as compared with the case where only the conventional electron beam autofocus is used. Before performing electron beam autofocus, it is possible to create a state that is sufficiently close to the electron beam in-focus state, so the range in which electron beam autofocus searches for a focus value should be about one-tenth or less of the conventional range. It is possible, and autofocus can be performed at a higher speed.

(2)Zステージ22を使用した場合には、高さが常に一定に成っているため、画像回転が無く、精度の高い測定が実現できる。 (2) When the Z stage 22 is used, since the height is always constant, there is no image rotation and highly accurate measurement can be realized.

(3)光学式高さセンサーが従来とは異なり非常にコンパクトなので実装、メインテナンスが容易である。高さを直接測定するため、従来の方式で必要であった、試料9の傾斜補正が不要。電子ビーム照射点での測定を必要としないので、対物レンズ5のポールピース先端と試料9の表面の狭い空間にセンサを押し込める必要が無い。 (3) The optical height sensor is very compact unlike the conventional one, so it is easy to mount and maintain. Since the height is directly measured, the tilt correction of the sample 9, which was required in the conventional method, is unnecessary. Since the measurement at the electron beam irradiation point is not required, it is not necessary to push the sensor into the narrow space between the tip of the pole piece of the objective lens 5 and the surface of the sample 9.

(4)センサー動作時に電磁波や熱等を発生しないため、測定が非常に安定化出来る。
材料がカラスと金属なため、真空の汚染を避けることが出来る。可動部が無く、長寿命。
センサーと測定点の距離が短いため外乱の影響が小さい。
(4) Since electromagnetic waves and heat are not generated when the sensor operates, the measurement can be made very stable.
Since the materials are crows and metal, vacuum contamination can be avoided. There are no moving parts and it has a long life.
Since the distance between the sensor and the measurement point is short, the influence of disturbance is small.

(5)実時間で対物レンズ5のポールピースと試料9の表面の距離が測定できるので、外部環境変化で試料9の高さが変化した場合にも、その変化をリアルタイム測定することが可能で、電子ビームオートフォーカスが成功しやすく出来る。 (5) Since the distance between the pole piece of the objective lens 5 and the surface of the sample 9 can be measured in real time, even if the height of the sample 9 changes due to a change in the external environment, the change can be measured in real time. , Electronic beam autofocus can be easily successful.

(6)2つの光学式高さセンサーを同時に実時間測定できない場合でも、予め作成したフォーカスマップを活用することで、ほぼ実時間で測定しているのと同じような高さ測定を行うことが出来る。 (6) Even if two optical height sensors cannot be measured in real time at the same time, it is possible to measure the height almost in real time by using the focus map created in advance. I can.

(7)電子ビーム画像だけではオートフォーカス困難な試料9でも、最初に光学式高さセンサで高さを測定し、合焦点状態に近い状態にまで持っていくことが出来るので、非常に細かい電子ビームフォーカスを振ることが出来る。これにより、立体物やエッジコントラストが低い測定対象における電子ビーム合焦点状態を得やすくなる。 (7) Even for sample 9, which is difficult to autofocus with only an electron beam image, the height can be measured first with an optical height sensor and brought to a state close to the in-focus state, so very fine electrons can be obtained. You can swing the beam focus. This makes it easy to obtain an electron beam in-focus state in a three-dimensional object or a measurement target having a low edge contrast.

(8)3点支持のZステージ22を利用した場合には、試料9の傾斜を0にしかつ試料9の高さを一定にすることが可能となり、電子ビーム照射を垂直にすることが出来るようになる。これにより、より正確な電子ビーム画像を取得することが可能となる。 (8) When the Z stage 22 supported at three points is used, the inclination of the sample 9 can be set to 0 and the height of the sample 9 can be made constant, so that the electron beam irradiation can be made vertical. become. This makes it possible to acquire a more accurate electron beam image.

本発明は、電子ビーム照射点近傍の試料の高さを1つあるいは複数の光学式センサーで直接測定して設定し、測定あるいは設定した試料の高さをもとに電子ビームによる精密オートフォーカスを行い、試料の高さについて極めて簡単な構成で0.1ミクロンを超える安定した超高精度高さ設定が出来るようになると共に、測定あるいは設定した試料の高さをもとに高速かつ精密かつ確実に電子ビームのオートフォーカスすることを実現した。 In the present invention, the height of the sample near the electron beam irradiation point is directly measured and set by one or a plurality of optical sensors, and the precision autofocus by the electron beam is performed based on the measured or set height of the sample. By doing so, it becomes possible to set a stable ultra-high precision height exceeding 0.1 micron with an extremely simple configuration for the height of the sample, and at the same time, it is fast, precise and reliable based on the measured or set height of the sample. The autofocus of the electron beam has been realized.

また、試料の高さの測定用光線は試料が半導体ウエハーの場合には、従来は光線の照射領域における導電性を変化させ、電子ビームによる測定値に影響を与える場合が発生することがあるが、本発明では、電子ビーム測定点を光線が直接照射しないため、光線で試料の高さをリアルタイムに測定しながら、一方、電子ビームで試料に照射して測定を並行して行うことを実現した。 Further, when the sample is a semiconductor wafer, the light beam for measuring the height of the sample may change the conductivity in the irradiation region of the light beam and may affect the measured value by the electron beam. In the present invention, since the light beam does not directly irradiate the electron beam measurement point, it is possible to measure the height of the sample with the light beam in real time, while irradiating the sample with the electron beam to perform the measurement in parallel. ..

図1および図2は、本発明の1実施例構造図を示す。以下荷電粒子線のうち電子線を用いた装置、ここでは、走査型電子顕微鏡について1実施例構造について以下順次詳細に説明する。尚、電子線以外の荷電粒子線(イオンなど)もそれぞれの荷電粒子線に合わせて以下と同様に構成し得るものである。 1 and 2 show a structural diagram of one embodiment of the present invention. Hereinafter, among the charged particle beams, a device using an electron beam, here, a scanning electron microscope will be described in detail in detail below with respect to an embodiment structure. It should be noted that a charged particle beam (ion or the like) other than the electron beam can also be configured in the same manner as described below according to each charged particle beam.

図1の(a)は側面図を示し、図2の(b)は下面図を示す。 FIG. 1A shows a side view, and FIG. 2B shows a bottom view.

図1の(a)において、電子銃1は、電子線を発生させる公知のものであって、数百Vないし数十KVに加速された電子ビーム2を発生させるものである。 In FIG. 1A, the electron gun 1 is a known one that generates an electron beam, and generates an electron beam 2 accelerated to several hundred V to several tens of KV.

電子ビーム2は、電子銃1で発生され、放出された電子ビームである。電子ビーム2は、図示外の集束レンズで集束される。 The electron beam 2 is an electron beam generated and emitted by the electron gun 1. The electron beam 2 is focused by a focusing lens (not shown).

偏向装置3は、集束された電子ビーム2について、X、Y方向にそれぞれ偏向(通常は2段偏向)し、対物レンズ5で細く絞られた電子ビーム2を試料(フォトマスク)9上を平面走査(XおよびY方向に走査)する公知のものである。 The deflection device 3 deflects the focused electron beam 2 in the X and Y directions (usually two-step deflection), and the electron beam 2 finely focused by the objective lens 5 is flat on the sample (photomask) 9. It is a known one that scans (scans in the X and Y directions).

電子検出器4は、試料(フォトマスク)9から放出された2次電子/反射電子6などを検出し、当該検出した信号をもとに画像(2次電子画像、反射電子画像など)を表示する公知のものである。 The electron detector 4 detects secondary electrons / backscattered electrons 6 emitted from the sample (photomask) 9, and displays an image (secondary electron image, backscattered electron image, etc.) based on the detected signal. It is a known one.

対物レンズ5は、電子ビーム2を細く絞って試料(フォトマスク)9上に照射する公知のものである。 The objective lens 5 is a known one in which an electron beam 2 is finely focused and irradiated onto a sample (photomask) 9.

2次電子/反射電子6は、電子ビーム2を試料(フォトマスク)9上に平面走査したときに放出された2次電子、反射電子である。 The secondary electrons / backscattered electrons 6 are secondary electrons and backscattered electrons emitted when the electron beam 2 is plane-scanned on the sample (photomask) 9.

反射鏡7は、導光器7の1つである反射鏡であって、センサーヘッド8からの光線(レーザ光線)を反射して試料(フォトマスク)9に向けて放射(反射)、および試料9で反射した光線をセンサーヘッド8の方向に反射するものである。導光器7としては、反射器、プリズムの他に、光ファイバーなどがあり、センサーヘッド8から出力される光線を試料9に向けて照射し、試料9で反射した光線をセンサーヘッド8に導光すれば、どのようなものであってもよい。レーザーヘッド8から放射されるレーザー光線のサイズは、0.1から1.数mm程度の直径であり、実験では約0.6mm直径のものを用いた。このため、反射鏡(導光器)7は、0.1ないし2mm程度の反射部分を有するものであればよく、非常に小さいものを用いることができる。 The reflector 7 is a reflector which is one of the light guides 7, and reflects a light ray (laser ray) from the sensor head 8 and radiates (reflects) the sample (photomask) 9 toward the sample (photomask) 9. The light ray reflected by 9 is reflected in the direction of the sensor head 8. The light guide 7 includes an optical fiber and the like in addition to a reflector and a prism. The light beam output from the sensor head 8 is irradiated toward the sample 9, and the light ray reflected by the sample 9 is guided to the sensor head 8. Anything can be done. The size of the laser beam emitted from the laser head 8 is 0.1 to 1. It has a diameter of about several mm, and in the experiment, a diameter of about 0.6 mm was used. Therefore, the reflecting mirror (light guide) 7 may have a reflecting portion of about 0.1 to 2 mm, and a very small one can be used.

レーザーヘッド8は、分光器11からの光線を導光器(反射鏡)7に出力して試料9を照射し、試料9で反射した光線を導光器(反射鏡)7を経由して取り込んで分光器11に送出するものである。レーザーヘッド8から放射されるレーザー光線のサイズは、0.1から1.数mm程度の直径であり、実験では約0.6mm直径のものを用いた。尚、レーザーヘッド8から放射される光線は反射鏡7によって反射されて試料9を照射し、試料9で反射した光線は反射鏡7で反射してレーザーヘッド8に入射するときの光路長が変化しないように、レーザーヘッド8、反射鏡9を取り付ける部分(通常は対物レンズ5あるいはその周辺の部材)は熱変化による膨張により誤差を発生するので熱変化による影響を受けない、あるいは熱膨張係数の小さい材料、あるいは熱膨張係数が同じ材料を採用するなどし、光路長が変化しないように工夫する必要がある。 The laser head 8 outputs the light rays from the spectroscope 11 to the light guide (reflector) 7 to irradiate the sample 9, and the light rays reflected by the sample 9 are taken in via the light guide (reflector) 7. Is sent to the spectroscope 11. The size of the laser beam emitted from the laser head 8 is 0.1 to 1. It has a diameter of about several mm, and in the experiment, a diameter of about 0.6 mm was used. The light rays emitted from the laser head 8 are reflected by the reflecting mirror 7 to irradiate the sample 9, and the light rays reflected by the sample 9 are reflected by the reflecting mirror 7 and the optical path length when incident on the laser head 8 changes. To prevent this, the part where the laser head 8 and the reflector 9 are attached (usually the objective lens 5 or its peripheral members) is not affected by the thermal change because it causes an error due to the expansion due to the thermal change, or the thermal expansion coefficient. It is necessary to devise so that the optical path length does not change, such as by using a material with a small thermal expansion coefficient or a material with the same thermal expansion coefficient.

分光器11は、レーザーヘッド8および導光器(反射鏡)7と一体となって分光干渉型レーザー変位測定装置を構成するものである。以下、便宜的に対物レンズ5と試料(フォトマスク)9の表面との距離を、高さ(試料の高さ、Z)と呼ぶ。分光干渉型レーザー変位測定装置を構成する分光器11、センサーヘッド8および導光器7のうち、センサーヘッド8の大きさは長さ数センチメートル、幅数mmと通常非常に小型である。センサーヘッド8の内部には光学素子が内蔵され、センサーヘッド8の端部には外部(分光器11)からレーザー光線を入れるための光ファイバーが付いている。電気回路はセンサーヘッド8の内部に通常、存在しないため、電気ノイズの発生源にはならない。利用しているレーザー光線の出力もmW以下と小さいため、熱源にもならず、測定対象(例えば試料9)やその近傍の部材が温度の影響を受けることもない。センサーヘッド8は非磁性金属のハウジングで覆われている。レーザー出射用のレンズはガラスで出来ており、通常、図1の構造の場合には試料室の内部に配置し、プラズマ洗浄等にも耐えることが出来る。試料9の高さの測定速度は最高200μsにもなるため、ほぼ実時間で高さ測定を実行できる。 The spectroscope 11 constitutes a spectroscopic interference type laser displacement measuring device integrally with the laser head 8 and the light guide (reflector) 7. Hereinafter, for convenience, the distance between the objective lens 5 and the surface of the sample (photomask) 9 is referred to as a height (sample height, Z). Of the spectroscope 11, the sensor head 8, and the light guide 7 that constitute the spectroscopic interference type laser displacement measuring device, the size of the sensor head 8 is usually very small, with a length of several centimeters and a width of several mm. An optical element is built in the sensor head 8, and an optical fiber for inserting a laser beam from the outside (spectrometer 11) is attached to the end of the sensor head 8. Since the electric circuit is not normally present inside the sensor head 8, it is not a source of electrical noise. Since the output of the laser beam used is as small as mW or less, it does not serve as a heat source, and the measurement target (for example, sample 9) and the members in the vicinity thereof are not affected by the temperature. The sensor head 8 is covered with a non-magnetic metal housing. The lens for laser emission is made of glass, and in the case of the structure shown in FIG. 1, it is usually arranged inside the sample chamber and can withstand plasma cleaning and the like. Since the height measurement speed of the sample 9 is as high as 200 μs, the height measurement can be performed in almost real time.

また、分光器11、センサーヘッド8および反射鏡(導光器)7による高さセンサの測定精度は1nmの測定分解能を有し、測定再現性も10nmが得られる。本実施例では2つの高さセンサを利用している。2つの高さセンサは対物レンズ中心に対してここでは対称配置されする。必ずしも対称に配置する必要はない。 Further, the measurement accuracy of the height sensor by the spectroscope 11, the sensor head 8 and the reflector (light guide) 7 has a measurement resolution of 1 nm, and the measurement reproducibility is also 10 nm. In this embodiment, two height sensors are used. The two height sensors are here symmetrically arranged with respect to the center of the objective lens. It does not necessarily have to be arranged symmetrically.

フォーカス制御手段12は、分光器11からの試料9の高さデータをもとに、電子ビーム2が試料9を照射しつつ平面走査したときの2次電子、反射電子を検出して生成した画像をもとに、自動的に対物レンズ5の電流を制御(正確には、対物レンズ5に別途設けた図示外のダイナミックフォーカスコイルの電流を制御)してフォーカス制御(例えば画像の微分波形の積分値が最大値となるフォーカス電流にフォーカス制御)するものである。この際、分光器11、センサーヘッド8および反射鏡(導光器)7によるシステムによって試料(フォトマスク)9の高さが精密に測定されているので、この測定された試料9の高さにフォーカスするように対物レンズ5の電流を制御し、これを中心にわずかに精密にフォーカス制御しなおせばよく、短時間かつ確実に自動フォーカスすることが可能となる。 The focus control means 12 detects and generates secondary electrons and backscattered electrons when the electron beam 2 scans the sample 9 while irradiating the sample 9 based on the height data of the sample 9 from the spectroscope 11. Based on this, the current of the objective lens 5 is automatically controlled (to be exact, the current of a dynamic focus coil (not shown separately) provided separately on the objective lens 5 is controlled) to control the focus (for example, integration of the differential waveform of the image). Focus control is performed on the focus current at which the value becomes the maximum value). At this time, since the height of the sample (photomask) 9 is precisely measured by the system using the spectroscope 11, the sensor head 8, and the reflector (light guide) 7, the height of the sample 9 is measured. The current of the objective lens 5 may be controlled so as to be focused, and the focus may be controlled slightly precisely around this, so that automatic focusing can be performed in a short time and reliably.

画像処理手段13は、電子検出器4で検出した信号をもとに画像(2次電子画像、反射電子画像など)を生成するものである。 The image processing means 13 generates an image (secondary electron image, reflected electron image, etc.) based on the signal detected by the electron detector 4.

光ファイバ14は、センサーヘッド8と分光器11とを接続(レーザ光線を送受信)する光ファイバーである。 The optical fiber 14 is an optical fiber that connects (transmits and receives a laser beam) the sensor head 8 and the spectroscope 11.

図2の(b)は下面図を示す。ここでは、図示のように、対物レンズ5の中心における試料の高さZe、センサーヘッド(Z1)8からの光線を受光し、試料9に反射する反射鏡7の試料の高さZ1,センサーヘッド(Z2)8からの光線を受光し、試料9に反射する反射鏡7の試料の高さZ2とする。また、対物レンズ5の中心(光軸)からセンサーヘッド(Z1)8の反射鏡7の位置(光線を試料9に照射する位置)の距離をZ1,対物レンズ5の中心(光軸)からセンサーヘッド(Z2)8の反射鏡7の位置(光線を試料9に照射する位置)の距離をZ1と定義する。 FIG. 2B shows a bottom view. Here, as shown in the figure, the height Ze of the sample at the center of the objective lens 5, the height Z1 of the sample of the reflector 7 that receives the light rays from the sensor head (Z1) 8 and reflects them on the sample 9. (Z2) The height Z2 of the sample of the reflector 7 that receives the light rays from 8 and reflects them on the sample 9. Further, the distance from the center (optical axis) of the objective lens 5 to the position of the reflecting mirror 7 of the sensor head (Z1) 8 (the position where the light beam is applied to the sample 9) is measured from the center (optical axis) of the objective lens 5 to the sensor. The distance between the positions of the reflector 7 of the head (Z2) 8 (the position where the light beam is applied to the sample 9) is defined as Z1.

以上のように、
・対物レンズ5の中心の試料の高さ=Ze
・センサーヘッド(Z1)の反射鏡7の試料の高さ=Z1
・センサーヘッド(Z2)の反射鏡7の試料の高さ=Z2
と定義すると、
・対物レンズの中心の試料の高さZe=(Z1+Z2)/2
と計算できる(センサーヘッド(Z1)、(Z2)を光軸に軸対称に配置した場合)。
As mentioned above
-Height of the sample at the center of the objective lens 5 = Ze
-Sample height of the reflector 7 of the sensor head (Z1) = Z1
-Sample height of the reflector 7 of the sensor head (Z2) = Z2
Is defined as
-The height of the sample at the center of the objective lens Ze = (Z1 + Z2) / 2
(When the sensor heads (Z1) and (Z2) are arranged axisymmetrically with respect to the optical axis).

次に、本発明に係る分光器11、センサーヘッド8および導光器(反射鏡)7による試料9の高さ測定の動作および特徴について説明する。 Next, the operation and features of the height measurement of the sample 9 by the spectroscope 11, the sensor head 8 and the light guide (reflector) 7 according to the present invention will be described.

(1)センサーヘッド8から出射したレーザー光線は、試料(フォトマスク)9に対して真横に出射する。このレーザー光線は90度の反射鏡7により、進行方向を900度曲げられ、試料9の面にほぼ垂直に照射する。 (1) The laser beam emitted from the sensor head 8 is emitted right beside the sample (photomask) 9. This laser beam is bent by a 90-degree reflector 7 in the traveling direction by 900 degrees, and irradiates the surface of the sample 9 substantially perpendicularly.

(2)試料9の面で反射したレーザー光線は再び同じ経路を戻り、センサーヘッド8を経由し、更に光ファイバーで分光器11に到達する。 (2) The laser beam reflected on the surface of the sample 9 returns in the same path again, passes through the sensor head 8, and further reaches the spectroscope 11 by an optical fiber.

(3)分光器11で、放出したレーザー光線(広波長帯域のレーザー光線)と試料9で反射したレーザー光線とを干渉させ、距離情報(変位データ)を作り出す。これをもとにフォーカス制御を行う。 (3) The spectroscope 11 causes the emitted laser beam (wide wavelength band laser beam) to interfere with the laser beam reflected by the sample 9 to generate distance information (displacement data). Focus control is performed based on this.

(4)本発明の試料の高さの測定方法は、既述した従来の傾斜式高さ測定方法とは異なり、試料9に対して入射角度がほぼ垂直であるので、試料9の傾斜に対して測定値の変動(誤差)がきわめて少ないので、従来の試料9の傾斜補正も必要なく、使い方が容易である。また、試料9の表面の模様に対しても影響を受けにくい。 (4) The method for measuring the height of the sample of the present invention is different from the conventional tilting height measuring method described above, and the incident angle is substantially perpendicular to the sample 9, so that the angle of incidence is substantially perpendicular to the tilt of the sample 9. Since the fluctuation (error) of the measured value is extremely small, it is not necessary to correct the inclination of the conventional sample 9, and it is easy to use. In addition, it is not easily affected by the pattern on the surface of the sample 9.

(5)更に、センサーヘッド8から外部に光ファイバーで導かれたレーザー光線は外部にある分光器11に取り込まれ、距離(試料の高さ)に変換する。この分光器11は発熱するが、通常、真空の試料室の内部に無いので、測定の誤差原因に成らない。分光器11で測定されたデータは、TCP/IPあるいはUSB等の通信手段によってパソコンに導かれ、測定点座標との対応関係の保存などの所望の処理を行う(フローチャートを用いて後述する)。 (5) Further, the laser beam guided from the sensor head 8 to the outside by an optical fiber is taken into the spectroscope 11 outside and converted into a distance (sample height). Although the spectroscope 11 generates heat, it does not usually cause a measurement error because it is not inside the vacuum sample chamber. The data measured by the spectroscope 11 is guided to a personal computer by a communication means such as TCP / IP or USB, and performs desired processing such as saving the correspondence with the measurement point coordinates (described later using a flowchart).

(6)図1、図2に示す2つのセンサーヘッド8、反射鏡(導光器)7は、電子ビーム2の試料9上の照射位置とは異なった場所の高さを測定するが、例えば、2つのセンサーヘッド8が対物レンズ5の中心に対して同じ距離に配置した場合、両者の出力値の平均値が電子ビーム2の試料9上の照射点の当該試料の高さを表す(推定する)。このような計算をパソコンで行う(後述するフローチャート参照)ことにより、電子ビーム2の試料9上の照射点位置の試料の高さを直接測らなくても精密かつリアルタイムに求めることができる。 (6) The two sensor heads 8 and the reflector (light guide) 7 shown in FIGS. 1 and 2 measure the height of the electron beam 2 at a place different from the irradiation position on the sample 9, for example. When the two sensor heads 8 are arranged at the same distance from the center of the objective lens 5, the average value of the output values of both represents the height of the sample at the irradiation point on the sample 9 of the electron beam 2 (estimated). do). By performing such a calculation on a personal computer (see the flowchart described later), the height of the sample at the irradiation point position on the sample 9 of the electron beam 2 can be obtained accurately and in real time without directly measuring the height of the sample.

(7)また、対物レンズ5のポールピース先端と試料9との間隔は通常、数mmと狭いため、その位置に試料の高さセンサーを配置することは事実上不可能であるが、本発明では、対物レンズ5のポールピース先端から離れた位置に反射鏡(導光器)7を配置したり、更に、後述する対物レンズ9に穴を開けてその内部に導光器7を配置でき、0.1ないし2mm程度のサイズの導光器(反射鏡、プリズム、光ファイバなど)7を任意の場所に容易に配置し、試料の高さを高精度かつリアルタイムに測定できる。 (7) Further, since the distance between the tip of the pole piece of the objective lens 5 and the sample 9 is usually as narrow as several mm, it is practically impossible to arrange the height sensor of the sample at that position, but the present invention. Then, the reflector (light guide) 7 can be arranged at a position away from the tip of the pole piece of the objective lens 5, and the light guide 7 can be arranged inside the objective lens 9 which will be described later by making a hole. A light guide (reflector, prism, optical fiber, etc.) 7 having a size of about 0.1 to 2 mm can be easily arranged at an arbitrary place, and the height of the sample can be measured with high accuracy and in real time.

図3および図4は、本発明の詳細構造図を示す。図3は導光器7を対物レンズ5の外側に配置した詳細構造例を示し、図4は導光器7を対物レンズの内側に設けた穴に配置した詳細構造例を示す。以下順次詳細に説明する。 3 and 4 show detailed structural views of the present invention. FIG. 3 shows an example of a detailed structure in which the light guide 7 is arranged outside the objective lens 5, and FIG. 4 shows an example of a detailed structure in which the light guide 7 is arranged in a hole provided inside the objective lens. This will be described in detail below.

図3は、本発明の詳細構造図(その1)を示す。図3は導光器7を対物レンズ5の外側に配置した詳細構造例を示す。 FIG. 3 shows a detailed structural diagram (No. 1) of the present invention. FIG. 3 shows an example of a detailed structure in which the light guide 7 is arranged outside the objective lens 5.

図3の(a)は、反射器7を対物レンズ5の側面に図示のように配置した構造例を示す。図示の構造例では、センサーヘッド(Z1)8から右方向に放出された光線(レーザー光線)は90度の鏡(あるいはプリズム)で下方向に反射され、試料(フォトマスク)9にほぼ垂直に照射し、反射した光線は逆方向にセンサーヘッド(Z1)8に入射する。センサーヘッド(Z1)8には光ファイバで図1の分光器11に接続されている。分光器11から放出された光線はセンサーヘッド(Z1)8、反射鏡7を経由し、試料9に垂直方向から照射し、反射した光線は逆方向に戻り、分光器11に入射する。分光器11では、放出したレーザー光線(広帯域)と、試料9で反射して戻ってきたレーザー光線とを干渉させ、試料9の高さの変位データを生成する。これにより、レーザーヘッド(Z1)8の反射鏡7の位置における試料9の高さZ1をリアルタイムかつ高精度に測定することが可能となる。同様に、右側のセンサーヘッド(Z2)8についても同様に、当該レーザーヘッド(Z2)8の反射鏡7の位置における試料9の高さZ2をリアルタイムかつ高精度に測定することが可能となる。 FIG. 3A shows a structural example in which the reflector 7 is arranged on the side surface of the objective lens 5 as shown in the drawing. In the illustrated structural example, the light beam (laser ray) emitted to the right from the sensor head (Z1) 8 is reflected downward by a 90-degree mirror (or prism) and irradiates the sample (photomask) 9 almost vertically. Then, the reflected light beam is incident on the sensor head (Z1) 8 in the opposite direction. The sensor head (Z1) 8 is connected to the spectroscope 11 of FIG. 1 by an optical fiber. The light beam emitted from the spectroscope 11 passes through the sensor head (Z1) 8 and the reflector 7 and irradiates the sample 9 from the vertical direction, and the reflected light ray returns in the opposite direction and is incident on the spectroscope 11. In the spectroscope 11, the emitted laser beam (wide band) and the laser beam reflected by the sample 9 and returned are made to interfere with each other to generate displacement data of the height of the sample 9. This makes it possible to measure the height Z1 of the sample 9 at the position of the reflecting mirror 7 of the laser head (Z1) 8 in real time and with high accuracy. Similarly, for the sensor head (Z2) 8 on the right side, the height Z2 of the sample 9 at the position of the reflecting mirror 7 of the laser head (Z2) 8 can be measured in real time and with high accuracy.

図3の(b)は、反射鏡7を対物レンズ5の側面に図示のように3個配置した構造例を示す。この場合には、フォトマスク9を垂直方向から光線を照射した3番目の反射鏡7の位置の試料の高さZ1、Z2を測定でき、対物レンズ5の光軸に、図3の(a)よりも近い位置の試料の高さZ1、Z2を測定できる。 FIG. 3B shows a structural example in which three reflecting mirrors 7 are arranged on the side surface of the objective lens 5 as shown in the drawing. In this case, the heights Z1 and Z2 of the sample at the position of the third reflecting mirror 7 irradiated with the photomask 9 from the vertical direction can be measured, and the optical axis of the objective lens 5 is aligned with the optical axis of FIG. 3 (a). The heights Z1 and Z2 of the sample at a position closer to each other can be measured.

図3の(c)は、反射鏡7を対物レンズ5の底面に図示のように配置した構造例を示す。この場合には、フォトマスク9を垂直方向から光線を照射した3番目の反射鏡7の位置の試料の高さZ1、Z2を測定でき、対物レンズ5の光軸に、図3の(b)よりも更に近い位置の試料の高さZ1、Z2を測定できる。 FIG. 3C shows a structural example in which the reflecting mirror 7 is arranged on the bottom surface of the objective lens 5 as shown in the drawing. In this case, the heights Z1 and Z2 of the sample at the position of the third reflecting mirror 7 irradiated with the photomask 9 from the vertical direction can be measured, and the optical axis of the objective lens 5 is aligned with (b) of FIG. The heights Z1 and Z2 of the sample at a position closer to the above can be measured.

尚、反射鏡7は、1ないし2mm程度の小さいものであり、電子のチャージを防ぐように、表面あるいは全体に導電性を持たせるようにする。 The reflecting mirror 7 is as small as 1 to 2 mm, and the surface or the entire surface is made conductive so as to prevent the charging of electrons.

また、反射鏡7は、対物レンズ5の光軸を中心に対称に配置し、電子ビーム2が試料9を照射しつつ走査したときに方向依存性が生じないように配置あるいはダミーの反射鏡7を配置することが望ましい。 Further, the reflecting mirror 7 is arranged symmetrically about the optical axis of the objective lens 5 so that the electron beam 2 does not cause direction dependence when scanning while irradiating the sample 9, or a dummy reflecting mirror 7. It is desirable to place.

図4は、本発明の詳細構造図(その2)を示す。 FIG. 4 shows a detailed structural diagram (No. 2) of the present invention.

図4の(d)は、反射鏡7を対物レンズ5の上に配置し、該対物レンズ5の中心の穴を透過した光線を試料(フォトマスク)9に照射する構造例を示す。この場合には、対物レンズ5の中心の穴のうち電子ビーム2が通過する部分の外側の部分を使い、センサーヘッド(Z1、Z2)8から放出された光線を試料(フォトマスク)9にほぼ垂直に照射し、反射した光線を該センサーヘッド(Z1、Z2)8に入射するので、電子ビーム2が試料9を照射する位置の近傍の試料の高さZ1,Z2を容易にリアルタイムかつ高精度に測定できる。 FIG. 4D shows a structural example in which the reflecting mirror 7 is arranged on the objective lens 5 and the sample (photomask) 9 is irradiated with a light ray transmitted through the hole in the center of the objective lens 5. In this case, the outer portion of the hole in the center of the objective lens 5 through which the electron beam 2 passes is used, and the light rays emitted from the sensor heads (Z1, Z2) 8 are substantially applied to the sample (photomask) 9. Since the light rays that are vertically irradiated and reflected are incident on the sensor heads (Z1, Z2) 8, the heights Z1 and Z2 of the sample near the position where the electron beam 2 irradiates the sample 9 can be easily measured in real time and with high accuracy. Can be measured.

図4の(e)は、反射鏡7を対物レンズ5のほぼ中央の穴(既存の穴あればそれを用い、なければ光線が通過するために開けた小さな穴)の内部に配置し、該対物レンズ5の中心の穴を透過した光線を試料(フォトマスク)9に照射する構造例を示す。この場合も同様に、対物レンズ5の中心の穴のうち電子ビーム2が通過する部分の外側の部分を使い、センサーヘッド(Z1、Z2)8から放出された光線を試料(フォトマスク)9にほぼ垂直に照射し、反射した光線を該センサーヘッド(Z1、Z2)8に入射するので、電子ビーム2が試料9を照射する位置の近傍の試料の高さZ1,Z2を容易にリアルタイムかつ高精度に測定できる。 In FIG. 4 (e), the reflecting mirror 7 is placed inside a hole in the center of the objective lens 5 (if there is an existing hole, it is used, otherwise a small hole is made for light rays to pass through). An example of a structure in which a sample (photomask) 9 is irradiated with a light ray that has passed through a hole in the center of the objective lens 5 is shown. Similarly, in this case as well, the outer portion of the hole in the center of the objective lens 5 through which the electron beam 2 passes is used, and the light beam emitted from the sensor heads (Z1, Z2) 8 is used as the sample (photomask) 9. Since the light rays are irradiated almost vertically and the reflected light rays are incident on the sensor heads (Z1, Z2) 8, the heights Z1 and Z2 of the sample near the position where the electron beam 2 irradiates the sample 9 can be easily set in real time and high. It can be measured accurately.

図4の(f)は、反射鏡7の代わりに光ファイバ15を用い、対物レンズ5の上下方向のほぼ中央の穴(既存の穴あればそれを用い、なければ光ファイバ15を通す開けた小さな穴)、およびの該対物レンズ5の中心の電子ビーム2が通らない穴の部分に該光ファイバ15を配置し、該光ファイバ15から放出した光線を試料(フォトマスク)9にほぼ垂直に照射する構造例を示す。この場合は、光ファイバ15を対物レンズ5の穴を通し、センサーヘッド(Z1、Z2)8から放出された光線を試料(フォトマスク)9にほぼ垂直に当該光ファイバ15の先端から照射し、反射した光線を該光ファイバ15を経由して該センサーヘッド(Z1、Z2)8に戻すので、電子ビーム2が試料9を照射する位置の近傍の試料の高さZ1,Z2を容易にリアルタイムかつ高精度に測定できると共に、反射鏡が不要となる。 In FIG. 4 (f), an optical fiber 15 is used instead of the reflecting mirror 7, and a hole in the center of the objective lens 5 in the vertical direction (if an existing hole is used, the existing hole is used, otherwise the optical fiber 15 is passed through). The optical fiber 15 is arranged in a small hole) and a hole in the center of the objective lens 5 through which the electron beam 2 does not pass, and the light beam emitted from the optical fiber 15 is substantially perpendicular to the sample (photomask) 9. An example of the structure to be irradiated is shown. In this case, the optical fiber 15 is passed through the hole of the objective lens 5, and the light beam emitted from the sensor heads (Z1, Z2) 8 is irradiated from the tip of the optical fiber 15 substantially perpendicular to the sample (photomask) 9. Since the reflected light rays are returned to the sensor heads (Z1, Z2) 8 via the optical fiber 15, the heights Z1 and Z2 of the sample near the position where the electron beam 2 irradiates the sample 9 can be easily measured in real time. It can measure with high accuracy and eliminates the need for a reflector.

図5は、本発明のフォーカスマップ作成フローチャートを示す。 FIG. 5 shows a flow chart for creating a focus map of the present invention.

図5において、S1は、マスク上の定められた座標にステージを移動する。これは、右側に記載したように左右上下対称に9点以上のマスク上の定められた座標にステージを順次移動し、S2を繰り返す。例えば後述する図6のフォトマスク9に示すように、(x0、y0)、(x1.y0)・・・(xn,yn)という9点以上に図1から図4のフォトマスク9を図示外のステージを移動して位置づける(位置は図示外のレーザ干渉計で精密測定しつつ位置づける)。 In FIG. 5, S1 moves the stage to the predetermined coordinates on the mask. As described on the right side, the stage is sequentially moved to the predetermined coordinates on the mask of 9 points or more symmetrically in the left-right and vertical directions, and S2 is repeated. For example, as shown in the photomask 9 of FIG. 6 to be described later, the photomasks 9 of FIGS. 1 to 4 are not shown at 9 points or more of (x0, y0), (x1.y0) ... (xn, yn). Move the stage to position it (position it while measuring it precisely with a laser interferometer (not shown)).

S2は、高さセンサーで高さを測定し記録する。これは、S1でステージを用いてフォトマスク9上の所定位置に位置づけた状態で、図1から図4の高さセンサー(分光器11、センサーヘッド8、導光器7から構成される高さセンサー、以下「高さセンサー」という)で各位置の試料の高さを測定し、記録、例えば後述する図7に示すように、座標(X、Y)に対応づけて高さ(Z)を記録する。 S2 measures and records the height with a height sensor. This is a height composed of the height sensors (spectrum 11, sensor head 8, and light guide 7) of FIGS. 1 to 4 in a state of being positioned at a predetermined position on the photo mask 9 using a stage in S1. The height of the sample at each position is measured by a sensor (hereinafter referred to as "height sensor"), and the height (Z) is recorded, for example, as shown in FIG. 7 described later, in correspondence with the coordinates (X, Y). Record.

S3は、フォーカスマップ近似関数のパラメータのフィッティングを行う。これは、S1、S2で測定して記録した9点以上の位置(x,y)とそのときの試料の高さZのデータをもとに、近似関数(例えばZ=X+Y)のパラメータのフィッティング、例えば後述する図8の(a)に示すようにフォーカスマップの近似曲線のパラメータのフィッティングを行う。 S3 fits the parameters of the focus map approximation function. This is an approximate function (for example, Z 2 = X 2 + Y 2 ) based on the data of the positions (x, y) of 9 points or more and the height Z of the sample at that time measured and recorded in S1 and S2. For example, as shown in FIG. 8 (a) described later, the parameters of the approximate curve of the focus map are fitted.

S4は、フォーカスマップ完成する。 In S4, the focus map is completed.

以上によって、フォトマスク9上の複数位置の高さを図1から図4の高さセンサで試料の高さZをそれぞれ実測し(図6、図7)、これらをもとにフォーカスマップ近似曲線のパラメータのフィッティングを行い、フォーカスマップ(図8)を作成することが可能となる。以降は、該フォーカスマップを参照し、フォトマスク9上の任意の位置の高さ情報を読み出しこの読み出した試料の高さを中心にして、後述する高速かつ確実に電子ビームの自動フォーカスを行うことが可能となる。 Based on the above, the heights of the plurality of positions on the photomask 9 are measured by the height sensors of FIGS. 1 to 4 and the height Z of the sample is measured (FIGS. 6 and 7), and the focus map approximation curve is based on these. It is possible to create a focus map (FIG. 8) by fitting the parameters of. After that, the height information of an arbitrary position on the photomask 9 is read out with reference to the focus map, and the automatic focus of the electron beam is performed at high speed and surely with the height of the read sample as the center. Is possible.

以下実際の装置について詳細に説明する。 The actual device will be described in detail below.

(1)図5を用いて説明したように、本発明の装置(光学式高さセンサ)は電子ビーム照射とは無関係にほぼ連続的に試料9の高さ測定を光学的に実行できる。そのため、測定対象の試料9を真空チャンバーに搬入した瞬間から、高さ測定を実行できる。フォーカスマップは、対物レンズポールピース先端から測定対象までの距離(いわゆる試料の高さ)を測定対象観察位置(X、Y)の関数として表現したものである。対物レンズ9は天板に固定されているため、天板が大きく気圧変動しで動かない限り、ほぼ同じ高さに位置する。一方、測定対象の試料9は、サンプルホルダーに設置される際に、必ずしも水平に置かれるとは限らないため、試料9が傾斜している可能性がある。また、試料9を移動するためのステージには、ヨーイング、ピッチング、ローリング等の特性があり、ステージ移動に伴って、試料9の高さが微妙に変化する可能性がある。つまり、ステージ位置変化に対する試料9の高さの変化は、上記2つの値の合成で与えられる。中でもステージ移動に伴う試料の高さ変化量はステージの固有値であり、繰り返し測定に対して再現性があることが知られているため、それを固有の関数として記述することが可能である。 (1) As described with reference to FIG. 5, the apparatus (optical height sensor) of the present invention can optically measure the height of the sample 9 almost continuously regardless of the electron beam irradiation. Therefore, the height can be measured from the moment the sample 9 to be measured is carried into the vacuum chamber. The focus map expresses the distance from the tip of the objective lens pole piece to the measurement target (so-called sample height) as a function of the measurement target observation position (X, Y). Since the objective lens 9 is fixed to the top plate, it is located at almost the same height as long as the top plate does not move due to large atmospheric pressure fluctuations. On the other hand, the sample 9 to be measured is not always placed horizontally when it is placed in the sample holder, so that the sample 9 may be tilted. Further, the stage for moving the sample 9 has characteristics such as yawing, pitching, and rolling, and the height of the sample 9 may change slightly with the movement of the stage. That is, the change in the height of the sample 9 with respect to the change in the stage position is given by the synthesis of the above two values. Above all, the amount of change in the height of the sample due to the movement of the stage is an eigenvalue of the stage, and it is known that it is reproducible for repeated measurements, so that it can be described as an eigenfunction.

(2)そこで、新たな試料(フォトマスク)9がサンプルホルダーに設置される度に、試料の傾斜量を測定し、既知のXYステージ固有の関数と合成することで、任意の電子ビーム照射点における試料の高さを計算によって求めることが出来るようになる。 (2) Therefore, every time a new sample (photomask) 9 is placed in the sample holder, the amount of inclination of the sample is measured and synthesized with a known XY stage-specific function to obtain an arbitrary electron beam irradiation point. The height of the sample in can be calculated.

(3)例えば、以下の様にしてステージの固有関数を算出する。 (3) For example, the eigenfunction of the stage is calculated as follows.

試料をサンプルホルダーに設置して、出来るだけ測定対象の外周部に隣接する座標の高さ分布を光学式高さセンサで測定する。測定対象が半導体用フォトマスクのような場合には、極めて平坦なので、例えば図6で示したような9点程度を測定点とする。それぞれの位置にXYステージを移動して高さセンサでその位置の高さZを測定し、記録する(図5のS1、S2)。これを何度か繰り返えして平均値を求める。次に、ステージ固有の関数は、ステージの中心に対して対称性があるので、それを利用して、関数が持つオフセット成分を取り除く。このようにすることで、ステージ固有の高さ変化を表した関数を得ることが出来る(図5のS3、S4)。この関数があれば、新しい測定対象をホルダーに設置して、数か所の高さを測定することで、本測定対象に対するフォーカスマップを得ることが出来る(図5から図9)。 The sample is placed in the sample holder, and the height distribution of the coordinates adjacent to the outer peripheral portion of the measurement target is measured by the optical height sensor as much as possible. When the measurement target is a photomask for semiconductors, it is extremely flat, so for example, about 9 points as shown in FIG. 6 are set as measurement points. The XY stage is moved to each position, and the height Z at that position is measured and recorded by the height sensor (S1 and S2 in FIG. 5). Repeat this several times to find the average value. Next, since the stage-specific function has symmetry with respect to the center of the stage, the offset component of the function is removed by using it. By doing so, it is possible to obtain a function representing the height change peculiar to the stage (S3, S4 in FIG. 5). With this function, a focus map for this measurement target can be obtained by installing a new measurement target in the holder and measuring the height at several points (FIGS. 5 to 9).

(4)また、新たな測定対象をサンプルホルダーに設置する度に、XYステージ位置に対する試料の高さ分布を取得して、それをその測定におけるアドホックなフォーカスマップとして利用することも出来る。この場合は、測定対象のホルダー設置傾斜も込みのフォーカスマップが得られる。任意の座標に対する高さが計算できるように、上記値を、平面の関数として表せるようにカーブフィティングを行い、近似曲線を得る。近似曲線としては、図8に示したような2次平面関数やスプライン関数などの出来るだけ簡単な関数を用いる。この関数のX、Yに値を入れることで、任意の座標における高さが計算により求まる (4) Further, every time a new measurement target is installed in the sample holder, the height distribution of the sample with respect to the XY stage position can be acquired and used as an ad hoc focus map in the measurement. In this case, a focus map including the holder installation inclination to be measured can be obtained. Curve fitting is performed so that the above values can be expressed as a function of a plane so that the height with respect to arbitrary coordinates can be calculated, and an approximate curve is obtained. As the approximate curve, a function as simple as possible, such as a quadric plane function or a spline function as shown in FIG. 8, is used. By entering values in X and Y of this function, the height at arbitrary coordinates can be obtained by calculation .

図6は、本発明のフォーカスマップ測定点の例を示す。これは、フォトマスク9上に9点以上の測定点を設けた例である。本例では、フォトマスク9は縦横15cmであって、この内部に図示のように、3×3の測定点(x0,y0),(x1,y0),(x2,yo)・・・・を図示のように設ける。 FIG. 6 shows an example of the focus map measurement point of the present invention. This is an example in which nine or more measurement points are provided on the photomask 9. In this example, the photomask 9 has a length and width of 15 cm, and as shown in the figure, 3 × 3 measurement points (x0, y0), (x1, y0), (x2, yo) ... Provide as shown.

図7は、本発明の高さ測定値例を示す。ここでは、高さテーブルに、図6のフォトマスク9上のx、yと、そのときに図1から図4の高さセンサで実測した試料の高さz(高さ測定値)とを対応づけて図示のように保存した例を示す。 FIG. 7 shows an example of height measurement values of the present invention. Here, the height table corresponds to x and y on the photomask 9 of FIG. 6 and the height z (height measurement value) of the sample actually measured by the height sensor of FIGS. 1 to 4 at that time. An example of saving as shown in the figure is shown.

図8は、本発明の測定点を通過する近似曲線例を示す。図8の(a)はフォーカスマップの例を示し、図8の(b)は近似曲線例を示す。 FIG. 8 shows an example of an approximate curve passing through the measurement point of the present invention. FIG. 8A shows an example of a focus map, and FIG. 8B shows an example of an approximate curve.

図8の(a)において、図示のフォーカスマップの例は、図7で測定したフォトマスク9上の位置(x、y)のときに実測した高さ(z)の関係をもとに、測定点(x,y,z)が通過する近似曲線(ここでは、図8の(b)の近似曲線Z=X+Y)ついてフォーカスマップを求めた例を示す。 In FIG. 8A, the illustrated focus map example is measured based on the relationship of the height (z) actually measured at the position (x, y) on the photomask 9 measured in FIG. 7. An example is shown in which a focus map is obtained for an approximate curve through which a point (x, y, z) passes (here, the approximate curve Z 2 = X 2 + Y 2 in (b) of FIG. 8).

図9は、本発明の試料の高さ測定フローチャートを示す。これは、試料の高さを実際に測定する場合の試料の高さ測定フローチャートを示す。 FIG. 9 shows a flow chart for measuring the height of the sample of the present invention. This shows a flow chart for measuring the height of the sample when the height of the sample is actually measured.

図9において、S11は、測定座標(Xn,Yn)にサンプルを移動する。これは、サンプル(図1のフォトマスク9)を、指示された測定点(Xn,Yn)にXYステージで移動する(レーザー干渉計で精密測定しつつ移動する)。 In FIG. 9, S11 moves the sample to the measurement coordinates (Xn, Yn). This moves the sample (photomask 9 in FIG. 1) to the designated measurement points (Xn, Yn) on the XY stage (moves while making precise measurements with a laser interferometer).

S12は、測定点が2つのセンサーで測定できる領域内か判別する。これは、図1に示す2つの高さセンサー(Z1、Z2)を用いた場合に、これら2つの高さセンサー(Z1、Z2)の両者が測定領域内のときはS12のYESとなり、S13に進む。NOの場合には、2つの高さセンサー(Z1、Z2)の1つ、あるいは2つともに測定領域内でない(測定領域外)と判明したので、S12のNOとなり、S14に進む。 S12 determines whether the measurement point is within the area that can be measured by the two sensors. When the two height sensors (Z1 and Z2) shown in FIG. 1 are used, when both of these two height sensors (Z1 and Z2) are within the measurement region, S12 becomes YES and S13. move on. In the case of NO, it is found that one or both of the two height sensors (Z1, Z2) are not in the measurement area (outside the measurement area), so the result is NO in S12, and the process proceeds to S14.

S13は、S12のYESで、2つの高さセンサ(Z1,Z2)が測定領域内と判明したので、2つのセンサーの平均値を高さと決定する。 In S13, YES in S12 indicates that the two height sensors (Z1 and Z2) are within the measurement region, so the average value of the two sensors is determined to be the height.

S14は、S12のNOで、2つの高さセンサ(Z1,Z2)が測定領域内でないと判明したので、更に、Z1の高さOKか判別する。これは、2つの高さセンサ(Z1,Z2)の両者が測定領域内でないと判明したので、更に、Z1の高さがOK(測定領域内)かを判定する。YESの場合には、OKの高さセンサ(Z1)の高さZ1と、フォーカスマップ上でのNGの高さセンサ(Z2)の位置(X+L,Y)の高さZ(X+L,Y)との平均値の高さ(Z1+Z(X+L、Y))/2を算出する。一方、S14のNOの場合には、S16に進む。 Since S14 is NO of S12 and it is found that the two height sensors (Z1 and Z2) are not within the measurement region, it is further determined whether the height of Z1 is OK. Since it was found that neither of the two height sensors (Z1 and Z2) was within the measurement area, it is further determined whether the height of Z1 is OK (within the measurement area). If YES, the height Z1 of the OK height sensor (Z1) and the height Z (X + L, Y) of the position (X + L, Y) of the NG height sensor (Z2) on the focus map. The height of the average value of (Z1 + Z (X + L, Y)) / 2 is calculated. On the other hand, in the case of NO in S14, the process proceeds to S16.

S16は、S14のNOで、Z1の高さNGと判明したので、更に、Z2の高さOKか判別する。これは、2つの高さセンサ(Z1,Z2)のうちZ1のセンサが測定領域内でないと判明したので、更に、Z2の高さがOK(測定領域内)かを判定する。YESの場合には、OKの高さセンサ(Z2)の高さZ2と、フォーカスマップ上でのNGの高さセンサ(Z1)の位置(X-L,Y)の高さZ(X-L,Y)との平均値の高さ(Z2+Z(X-L、Y))/2を算出する。一方、S16のNOの場合には、Z1,Z2の両高さセンサがNGと判明したので、マップ値(X,Y)の高さZと同一と算出する。 Since S16 was found to be NO in S14 and the height of Z1 was NG, it is further determined whether the height of Z2 is OK. Since it was found that the sensor of Z1 out of the two height sensors (Z1 and Z2) was not in the measurement area, it is further determined whether the height of Z2 is OK (in the measurement area). If YES, the height Z2 of the OK height sensor (Z2) and the height Z (XL, Y) of the position (XL, Y) of the NG height sensor (Z1) on the focus map. , Y) and the height of the average value (Z2 + Z (XL, Y)) / 2. On the other hand, in the case of NO in S16, since both height sensors of Z1 and Z2 were found to be NG, it is calculated to be the same as the height Z of the map value (X, Y).

以上によって、指示された測定点にフォトマスク9を移動して位置づけた状態で高さセンサ(Z1,Z2)で高さを測定し、両者で検出できたときは平均値、1つのみでできたとき1つは測定した試料の高さとできない方はマップ上の高さとの平均値、2つともに測定できないときはマップ上の高さと算出することにより、リアルタイムかつ高精度に指示されたフォトマスク上の位置の高さを測定することが可能となる。 As described above, the height is measured by the height sensors (Z1 and Z2) with the photomask 9 moved to the designated measurement point and positioned, and if both can detect it, the average value can be obtained with only one. When one is the height of the measured sample and the other is the average value of the height on the map, and when both cannot be measured, it is calculated as the height on the map. It is possible to measure the height of the upper position.

図10は、本発明のオートフォーカスフローチャート(その1)を示す。これは、本発明の光学式高さセンサによって測定した値を利用し、電子ビームオートフォーカスを失敗無く高速に行うためのフローチャートを示す。 FIG. 10 shows an autofocus flowchart (No. 1) of the present invention. This shows a flowchart for performing electron beam autofocus at high speed without failure by using the value measured by the optical height sensor of the present invention.

図10において、S21は、電子ビームフォーカス値を、光学式高さ測定値のサーチ下限に設定する。これは、既述した図5から図8で説明したように、試料(フォトマスク)9の高さを例えば少なくとも9点測定して当該試料(フォトマスク)9のフォーカスマップを作成し、試料(フォトマスク)9のサーチ下限(最も小さい試料の高さ)を求め、電子ビームフォーカス値を、この求めたサーチ下限(値)に設定する。 In FIG. 10, S21 sets the electron beam focus value to the search lower limit of the optical height measurement value. In this method, as described above with reference to FIGS. 5 to 8, the height of the sample (photomask) 9 is measured, for example, at least 9 points, a focus map of the sample (photomask) 9 is created, and the sample (photomask) 9 is prepared. The search lower limit (height of the smallest sample) of the photomask) 9 is obtained, and the electron beam focus value is set to the obtained search lower limit (value).

S22は、電子ビーム走査および画像取得する。これは、S21で設定した電子ビームフォーカス値において、電子ビームを試料(フォトマスク)9に平面走査し、そのときに放出された2次電子(あるいは反射電子、吸収電子)を検出し、画像を生成する。 S22 scans the electron beam and acquires an image. This involves scanning the sample (photomask) 9 with an electron beam in a plane at the electron beam focus value set in S21, detecting the secondary electrons (or backscattered electrons, absorbed electrons) emitted at that time, and displaying an image. Generate.

S23は、電子ビームフォーカス値をステップ幅増加する。これは、電子ビームフォーカス値を、所定のステップ幅だけ増加する。 S23 increases the electron beam focus value by a step width. This increases the electron beam focus value by a predetermined step width.

S24は、電子ビーム走査および画像取得する。 S24 scans the electron beam and acquires an image.

S25は、サーチ範囲の上限か判別する。YESの場合には、S26に進む。NOの場合には、S23以降を繰り返す。 S25 determines whether it is the upper limit of the search range. If YES, the process proceeds to S26. In the case of NO, S23 and subsequent steps are repeated.

S26は、合焦点フォーカス値を推定する。これは、S22、S24で取得(生成)したサーチ下限からサーチ上限までの所定ステップ幅で電子ビームフォーカス値を変化したときに取得したそれぞれの画像について、合焦点のときのフォーカス値を推定する。その方法は、公知のコントラスト法(コントラスト最大(画像を微分してその総和が最大の画像のときのフォーカス値))、エッジ傾斜法(画像のラインプロファイルのエッジ部分の傾斜が最大の画像のときのフォーカス値)、FFT法など公知のものを用いればよい。 S26 estimates the in-focus focus value. This estimates the focus value at the time of in-focus for each image acquired when the electron beam focus value is changed in a predetermined step width from the search lower limit to the search upper limit acquired (generated) in S22 and S24. The methods are known contrast method (maximum contrast (focus value when the image is differentiated and the sum is the maximum)) and edge tilt method (when the tilt of the edge part of the line profile of the image is the maximum). (Focus value), known methods such as the FFT method may be used.

以上のように、本発明の光学式高さ測定値のサーチ下限からサーチ上限までを所定ステップ幅で電子ビームフォーカス値を変化しつつ試料(フォトマスク)9の画像を取得し、そのうちの合焦点フォーカス値を推定し、推定した合焦点フォーカス値に設定することにより、試料(フォトマスク)9の高さの上限から下限までという限定した高さ範囲のみを電子ビームによる自動フォーカスを実行することにより、高速かつ確実に自動フォーカスすることが可能となる。 As described above, the image of the sample (photomask) 9 is acquired while changing the electron beam focus value within a predetermined step width from the search lower limit to the search upper limit of the optical height measurement value of the present invention, and the in-focus point thereof is obtained. By estimating the focus value and setting it to the estimated in-focus focus value, automatic focusing by the electron beam is performed only in the limited height range from the upper limit to the lower limit of the height of the sample (photomask) 9. , It is possible to automatically focus at high speed and surely.

以下実際の装置について説明する。 The actual device will be described below.

これから測定しようとする座標に対応する光学式高さセンサーで測定した値を得る(リアルタイムあるいはフォーカスマップから得る)。この値は光学式高さセンサーが求めたジャストフォーカスの値なので、必ずしも電子ビームオートフォーカスのジャストフォーカスと同じである保証がない。そこで、電子ビームオートフォーカスを求めるためにフォーカスを振る範囲(例えばプラスマイナス0.5ミクロン)を設定し、その下限値マイナス0.5ミクロンを上記光学的ジャストフォーカス値に足したところに電子ビームフォーカスの強さを設定する(図10のS21)。この状態で、オートフォーカスを行うために必要な画像情報を電子ビーム走査によって取得する(図10のS22)。次に、電子ビームフォーカスの値を予め決められた値だけ増加する(図10のS23)。この状態で上記同様に電子ビーム走査を行って、画像情報を取得する(図10のS24)。この作業をフォーカスの強さがフォーカス振りの上限に達するまで繰り返す(図10のS5)。電子ビーム合焦点を得るための全ての情報が集まった所で、コントラスト法や最大エッジ傾斜法等の合焦点アルゴリズムを用いて、合焦点状態を計算によって求める(図10のS26)。以上によって、電子ビーム合焦点状態を失敗無く、高速、かつ正確に求めることが出来る。 Obtain the value measured by the optical height sensor corresponding to the coordinates to be measured (obtained in real time or from the focus map). Since this value is the value of the just focus obtained by the optical height sensor, there is no guarantee that it is the same as the just focus of the electron beam autofocus. Therefore, a range for swinging the focus (for example, plus or minus 0.5 micron) is set in order to obtain the electron beam autofocus, and the lower limit value minus 0.5 micron is added to the above optical just focus value to obtain the electron beam focus. The strength of is set (S21 in FIG. 10). In this state, the image information necessary for performing autofocus is acquired by electron beam scanning (S22 in FIG. 10). Next, the electron beam focus value is increased by a predetermined value (S23 in FIG. 10). In this state, electron beam scanning is performed in the same manner as described above to acquire image information (S24 in FIG. 10). This operation is repeated until the strength of the focus reaches the upper limit of the focus swing (S5 in FIG. 10). When all the information for obtaining the electron beam focus is collected, the focus state is calculated by using a focus algorithm such as the contrast method or the maximum edge tilt method (S26 in FIG. 10). From the above, the electron beam in-focus state can be obtained at high speed and accurately without failure.

図11は、本発明の他の実施例構造図を示す。この図11は、本発明の光学式高さセンサーで測定した試料の高さの値を用い、常に対物レンズ5のポールピース先端と試料(フォトマスク)9の表面の高さとが一定になるように、Zステージ22を制御し、更に、その後、電子ビームオートフォーカスを用いて、2段階オートフォーカスを行うことに特徴がある。それを実現するためのZステージ22を,図1から図4の構造に追加したものである。その他は、同一であるので、説明を省略する。 FIG. 11 shows another embodiment structural diagram of the present invention. FIG. 11 uses the sample height value measured by the optical height sensor of the present invention so that the height of the pole piece tip of the objective lens 5 and the surface height of the sample (photomask) 9 are always constant. In addition, it is characterized in that the Z stage 22 is controlled, and then two-step autofocus is performed using the electron beam autofocus. The Z stage 22 for realizing this is added to the structures of FIGS. 1 to 4. Others are the same, so the description will be omitted.

図11において、XYステージ21は、フォトマスク(試料)9をXおよびY方向に精密に移動させるものであって、図示外のレーザー干渉計によりXおよびY方向の座標を測定しつつ図示外のサーボモータにより駆動されるものである。 In FIG. 11, the XY stage 21 precisely moves the photomask (sample) 9 in the X and Y directions, and is not shown while measuring the coordinates in the X and Y directions with a laser interferometer (not shown). It is driven by a servo motor.

Zステージ22は、フォトマスク(試料)9をZ方向に精度に移動させるものであって、ここでは、ピエゾ圧電素子A,B,Cに所定の電圧を印加して当該素子の伸縮によってZ方向に移動させる機構である。ここでは、サンプルホルダー23を3つのピエゾ圧電素子で保持し、それぞれに所定の電圧を印加してフォトマスク(試料)9が水平かつ対物レンズ5との間の距離(試料の高さ)が所定値となるように移動制御するものである。 The Z stage 22 accurately moves the photomask (sample) 9 in the Z direction. Here, a predetermined voltage is applied to the piezo piezoelectric elements A, B, and C, and the element expands and contracts in the Z direction. It is a mechanism to move to. Here, the sample holder 23 is held by three piezoelectric piezoelectric elements, and a predetermined voltage is applied to each of the sample holders 23 so that the photomask (sample) 9 is horizontal and the distance (sample height) from the objective lens 5 is predetermined. The movement is controlled so that it becomes a value.

サンプルホルダー23は、フォトマスク(試料)9を保持するものである。 The sample holder 23 holds the photomask (sample) 9.

XYステージ制御手段31は、XYステージ21を制御し、フォトマスク(試料)9を指定された位置(X、Y)にレーザー干渉計からの信号をもとに移動制御するものである。 The XY stage control means 31 controls the XY stage 21 and controls the movement of the photomask (sample) 9 to a designated position (X, Y) based on the signal from the laser interferometer.

Zステージ制御手段32は、Zステージ22を制御(ピエゾ圧電素子A,B,Cに所定電圧をそれぞれ印加して制御)し、フォトマスク(試料)9を指定された位置(Z)に移動制御するものである。Z移動(Z軸駆動)は耐振動性がいるため、大きな力を発生できるピエゾ圧電素子を用いる。例えば長さは数センチで太さ数センチメートル、100Vで大凡数十ミクロンの変位量が得られる。サンプルホルダー23は3点支持で基礎となるXYステージ21の平面から支える。3つのピエゾ圧電素子A,B,Cは、それぞれの高圧アンプが付いており、独立に制御可能となっている。従って、予めフォーカスマップを作成した際に得られたデータを用いて、フォトマスク(試料)9の傾斜成分を抽出し、その傾斜を打ち消すのに必要な変位が生じるように、ピエゾ圧電素子A,B,Cに電圧をそれぞれ適切に加えることで、フォトマスク9の面Zを電子ビーム照射軸に対して垂直にすることが出来る。この状態で、さらにフォトマスク9の高さが所望の高さになるように制御を行う。 The Z stage control means 32 controls the Z stage 22 (controls by applying predetermined voltages to the piezo piezoelectric elements A, B, and C, respectively), and controls the movement of the photomask (sample) 9 to the designated position (Z). It is something to do. Since Z movement (Z-axis drive) has vibration resistance, a piezo piezoelectric element capable of generating a large force is used. For example, a displacement of several centimeters in length, several centimeters in thickness, and a displacement of about several tens of microns can be obtained at 100 V. The sample holder 23 is supported at three points from the plane of the XY stage 21 which is the base. The three piezo piezoelectric elements A, B, and C are each equipped with a high-voltage amplifier and can be controlled independently. Therefore, using the data obtained when the focus map was created in advance, the tilt component of the photomask (sample) 9 is extracted, and the piezo piezoelectric element A, so that the displacement required to cancel the tilt is generated, By appropriately applying voltages to B and C, the surface Z of the photomask 9 can be made perpendicular to the electron beam irradiation axis. In this state, further control is performed so that the height of the photomask 9 becomes a desired height.

サンプル高さ情報処理手段33は、分光器11、センサーヘッド7、反射鏡(導光器)7からなる光学式高さセンサを制御し、フォトマスク(試料)9の高さを測定するものである。 The sample height information processing means 33 controls an optical height sensor including a spectroscope 11, a sensor head 7, and a reflector (light guide) 7 to measure the height of the photo mask (sample) 9. be.

オートフォーカス制御手段34は、電子ビーム2でフォトマスク(試料)9を平面走査したときの2次電子などの信号を検出して生成した、サーチ下限からサーチ上限までの対物レンズ5に供給したフォーカス電流値に対応づけた画像をもとに合焦点フォーカスのときの対物レンズの電流値(実際は対物レンズ5とは別個に設けたダイナミックコイルに流す電流値)を推定し、当該推定した対物電流値に設定するものである。 The auto focus control means 34 detects and generates a signal such as a secondary electron when the photomask (sample) 9 is scanned in a plane by the electron beam 2, and supplies the focus to the objective lens 5 from the lower limit of the search to the upper limit of the search. Based on the image associated with the current value, the current value of the objective lens at the time of focused focus (actually, the current value flowing through the dynamic coil provided separately from the objective lens 5) is estimated, and the estimated objective current value is estimated. It is set to.

画像処理手段35は、電子検出器4で検出した信号をもとに画像(2次電子画像、反射電子画像など)を生成するものである。 The image processing means 35 generates an image (secondary electron image, reflected electron image, etc.) based on the signal detected by the electron detector 4.

全体制御手段36は、図11のシステム全体を統括制御するものである。 The overall control means 36 controls the entire system of FIG. 11 in an integrated manner.

以上の構造のもとで、フォトマスク(試料)9の例えば9点以上で既述した図5から図9で説明したように当該フォトマスク9のフォーカスマップを作成し、フォトマスク9の高さがいずれの場所でも一定になるようにZステージ22を構成する3つのピエゾ素子A,B,Cに所定の電圧をそれぞれ印加することで、試料(フォトマスク)9の高さおよび試料(フォトマスク)9の傾斜を補正して常に水平かつ試料の高さを一定に位置づけることが可能となる。そして、試料の高さが一定かつ試料が水平にZステージ22で補正した後、電子ビームの自動フォーカスをサーチ下限とサーチ上限の間について実施し、合焦点画像を迅速かつ確実に取得することが可能となる。 Under the above structure, a focus map of the photomask 9 is created as described with reference to FIGS. 5 to 9 described above with, for example, 9 points or more of the photomask (sample) 9, and the height of the photomask 9 is increased. By applying a predetermined voltage to each of the three piezo elements A, B, and C constituting the Z stage 22 so that is constant at any location, the height of the sample (photomask) 9 and the sample (photomask) are increased. ) It is possible to correct the inclination of 9 so that the height of the sample is always horizontal and constant. Then, after the height of the sample is constant and the sample is horizontally corrected by the Z stage 22, the automatic focus of the electron beam is performed between the lower limit of the search and the upper limit of the search, and the focused image can be obtained quickly and reliably. It will be possible.

図12は、本発明のオートフォーカスフローチャート(その2)を示す。これは、既述した図11の構造のもとで電子ビームのオートフォーカスを行う場合のものである。 FIG. 12 shows an autofocus flowchart (No. 2) of the present invention. This is the case where the electron beam is autofocused under the structure of FIG. 11 described above.

図12において、S31は、試料の高さが一定になるようにZステージを移動する。これは、図11のZステージ22を構成する3つのピエゾ圧電素子A,B,Cにそれぞれ所定電圧を印加し、試料9の高さおよびその傾きを補正し、当該試料8の高さが一定および試料8が水平となるようにする。 In FIG. 12, S31 moves the Z stage so that the height of the sample is constant. This applies a predetermined voltage to each of the three piezoelectric piezoelectric elements A, B, and C constituting the Z stage 22 of FIG. 11, corrects the height of the sample 9 and its inclination, and the height of the sample 8 is constant. And make the sample 8 horizontal.

S32は、電子ビームフォーカス値を、規定値のサーチ下限(光学式高さ測定値のサーチ下限)に設定する。これは、既述した図5から図8で説明したように、試料(フォトマスク)9の高さを例えば少なくとも9点測定して当該試料(フォトマスク)9のフォーカスマップを作成し、試料(フォトマスク)9のサーチ下限(最も小さい試料の高さ)を求め、電子ビームフォーカス値を、この求めたサーチ下限(値)に設定する。 S32 sets the electron beam focus value to the search lower limit of the specified value (search lower limit of the optical height measurement value). In this method, as described above with reference to FIGS. 5 to 8, the height of the sample (photomask) 9 is measured, for example, at least 9 points, a focus map of the sample (photomask) 9 is created, and the sample (photomask) 9 is prepared. The search lower limit (height of the smallest sample) of the photomask) 9 is obtained, and the electron beam focus value is set to the obtained search lower limit (value).

S33は、電子ビーム走査および画像取得する。これは、S32で設定した電子ビームフォーカス値において、電子ビームを試料(フォトマスク)9に平面走査し、そのときに放出された2次電子(あるいは反射電子、吸収電子)を検出し、画像を生成する。 S33 scans the electron beam and acquires an image. This involves scanning the sample (photomask) 9 with an electron beam in a plane at the electron beam focus value set in S32, detecting the secondary electrons (or backscattered electrons, absorbed electrons) emitted at that time, and displaying an image. Generate.

S34は、電子ビームフォーカス値をステップ幅増加する。これは、電子ビームフォーカス値を、所定のステップ幅だけ増加する。 S34 increases the electron beam focus value by a step width. This increases the electron beam focus value by a predetermined step width.

S35は、電子ビーム走査および画像取得する。 S35 scans the electron beam and acquires an image.

S36は、サーチ範囲の上限か判別する。YESの場合には、S37に進む。NOの場合には、S34以降を繰り返す。 S36 determines whether it is the upper limit of the search range. If YES, the process proceeds to S37. If NO, repeat S34 and subsequent steps.

S37は、合焦点フォーカス値を推定する。これは、S33、S35で取得(生成)したサーチ下限からサーチ上限までの所定ステップ幅で電子ビームフォーカス値を変化したときに取得したそれぞれの画像について、合焦点のときのフォーカス値を推定する。その方法は、公知のコントラスト法、エッジ傾斜法、FFT法など公知のものを用いればよい。 S37 estimates the in-focus focus value. This estimates the focus value at the time of in-focus for each image acquired when the electron beam focus value is changed in a predetermined step width from the search lower limit to the search upper limit acquired (generated) in S33 and S35. As the method, known methods such as a known contrast method, an edge inclination method, and an FFT method may be used.

以上のように、試料の高さをZステージ22を制御して一定(高さが一定かつ水平)になるように移動した後、本発明の光学式高さ測定値のサーチ下限からサーチ上限までを所定ステップ幅で電子ビームフォーカス値を変化しつつ試料(フォトマスク)9の画像を取得し、そのうちの合焦点フォーカス値を推定し、推定した合焦点フォーカス値に設定することにより、試料9の高さを一定かつ水平にZステージで移動した後に、試料9の高さの上限から下限までという限定した高さ範囲を電子ビームによる自動フォーカスを実行することにより、高速かつ確実に自動フォーカスすることが可能となる。 As described above, after the height of the sample is moved to be constant (height is constant and horizontal) by controlling the Z stage 22, the search lower limit to the search upper limit of the optical height measurement value of the present invention are reached. By acquiring an image of the sample (photomask) 9 while changing the electron beam focus value in a predetermined step width, estimating the focus focus value among them, and setting the estimated focus focus value to the sample 9. After moving the height constantly and horizontally on the Z stage, automatic focusing is performed at high speed and reliably by performing automatic focusing with an electron beam in a limited height range from the upper limit to the lower limit of the height of the sample 9. Is possible.

以下に実際の装置における手順および特徴を説明する。 The procedure and features of the actual device will be described below.

(1)まず、Zステージ22で試料9の高さを一定かつ水平に移動する(図12のS31)。 (1) First, the height of the sample 9 is constantly and horizontally moved on the Z stage 22 (S31 in FIG. 12).

(2)次に、画像コントラストが最大に成る、検出器の信号の組み合わせを選択する。 (2) Next, the combination of detector signals that maximizes the image contrast is selected.

(3)(2)の条件で信号が取り込めるようにセットし、対物レンズ5等のフォーカスレンズあるいは試料9に加える電圧を変えることによりフォーカス強度をアンダーフォーカス、ニアジャストフォーカス、オーバーフォーカス等幾つか変化させた画像信号を取り込む(図12のS32からS36)。 (3) By setting the signal so that it can be captured under the conditions of (2) and changing the voltage applied to the focus lens such as the objective lens 5 or the sample 9, the focus intensity can be changed in some ways such as underfocus, nearjust focus, and overfocus. The image signal is captured (S32 to S36 in FIG. 12).

(4)これら画像のコントラストをフォーカスの強さに対して評価して、フォーカス強度対コントラスト値の関係を示した関数を得る。 (4) The contrast of these images is evaluated with respect to the focus intensity to obtain a function showing the relationship between the focus intensity and the contrast value.

(5)この関数を用いて最大最小あるいは極大極小等を見つける演算を行い、関数上一番コントラストが高い状態を実現出来ると推定されるフォーカス強度を合焦点とする(図12のS37)。 (5) Using this function, an operation for finding the maximum / minimum or maximum / minimum is performed, and the focus intensity estimated to be able to realize the state with the highest contrast in the function is set as the focal point (S37 in FIG. 12).

(6)このフォーカス強度に実際の電子顕微鏡のフォーカスをセットすることで、合焦点画像を得ることが出来る。 (6) By setting the focus of an actual electron microscope to this focus intensity, an in-focus image can be obtained.

(7)尚、同様にFFT(空間周波数解析)などを用いてフォーカス強度を変えた際に得られる複数の画像を取得して、フォーカス強度と画像に含まれる最高空間周波数の関係を示す関数を得ることが出来る。この関数を用いて、最大最小、極大極小を見つける演算することで、一番高い空間周波数を含むフォーカス強度を合焦点としても良い。合焦点を見つけるための方法は上記方法のほかに世の中に広く知られている全ての方法を利用可能であり、本発明の範囲は本実施例に束縛され無い。 (7) Similarly, a function showing the relationship between the focus intensity and the maximum spatial frequency included in the image is obtained by acquiring a plurality of images obtained when the focus intensity is changed by using FFT (spatial frequency analysis) or the like. You can get it. By using this function to find the maximum and minimum and the maximum and minimum, the focus intensity including the highest spatial frequency may be set as the focal point. In addition to the above methods, all methods widely known in the world can be used as a method for finding the in-focus point, and the scope of the present invention is not limited to the present embodiment.

(8)対物レンズポールピース先端と試料9の表面の距離が異なる場合、対物レンズ5の強さを変えることで電子ビームフォーカスを得ることが出来る。しかしながら、光学系と異なり、電子光学系では、フォーカスを変えると像が回転する。像が回転すると、場所によって画像歪が生じるため、寸法測定を行うためには、種々の補正を行う必要が出てくる。本発明では、光学式高さセンサによって予め対物レンズ5のポールピースと試料0の表面との距離(試料の高さ)を測定し、平行を出した上に、その距離が一定になるように、Zステージ22を駆動して試料9の高さを変更する。その後に微妙なフォーカス誤差を修正するために、電子ビームフォーカスを行う方式である。このようにすると、ほとんど、フォーカスによる像回転は起こらない。起こったとしても非常に小さな値になるため、回転補正によって起こる測定誤差を小さくすることが出来る。 (8) When the distance between the tip of the objective lens pole piece and the surface of the sample 9 is different, electron beam focus can be obtained by changing the strength of the objective lens 5. However, unlike optical systems, in electronic optical systems, the image rotates when the focus is changed. When the image is rotated, image distortion occurs depending on the location, so it is necessary to make various corrections in order to perform dimensional measurement. In the present invention, the distance (the height of the sample) between the pole piece of the objective lens 5 and the surface of the sample 0 is measured in advance by an optical height sensor so that the distance is made parallel and the distance becomes constant. , The Z stage 22 is driven to change the height of the sample 9. After that, in order to correct a delicate focus error, electron beam focusing is performed. In this way, image rotation due to focus hardly occurs. Even if it occurs, it will be a very small value, so the measurement error caused by rotation correction can be reduced.

(9)特に、最近では、2つの点の間の距離測定だけでなく、画像そのものを正確に読み取ってそれを光学シミュレーションに掛ける使用方法が増えている。これらの場合に、画像が回転したり、歪んだりすると、シミュレーションの誤差の要因となる。本発明の図11の構造では、これらの誤差要因を非常に小さくすることが出来る。特に大きなFOVの時に効果が大きい。 (9) In particular, in recent years, not only the distance measurement between two points but also the usage method of accurately reading the image itself and applying it to an optical simulation is increasing. In these cases, if the image is rotated or distorted, it causes a simulation error. In the structure of FIG. 11 of the present invention, these error factors can be made very small. The effect is particularly large when the FOV is large.

図13は、本発明のオートフォーカスフローチャート(その3)を示す。 FIG. 13 shows an autofocus flowchart (No. 3) of the present invention.

図13において、S41は、基準高さに試料を設定する。これは、試料9を予め定めた基準の高さ(試料9の高さが一定かつ試料9が水平)に、Zステージ22で設定する。 In FIG. 13, S41 sets the sample at the reference height. This is set in the Z stage 22 at a predetermined reference height (the height of the sample 9 is constant and the sample 9 is horizontal).

S42は、対物レンズのフォーカス電流を測定する。これは、S41で試料9を基準の高さに設定した状態で、電子ビームで試料9を平面走査して取得した画像をもとに合焦点時の対物レンズのフォーカス電流値を測定(推定)する。 S42 measures the focus current of the objective lens. This measures (estimates) the focus current value of the objective lens at the time of focusing based on the image obtained by scanning the sample 9 in a plane with an electron beam with the sample 9 set to the reference height in S41. do.

S43は、試料を交換する。 S43 replaces the sample.

S44は、Zステージで試料を基準高さに合わせる。S4で交換した後の試料について、Zステージで基準高さ(試料9の高さが一定かつ水平)に合わせる。 In S44, the sample is adjusted to the reference height in the Z stage. For the sample exchanged in S4, adjust it to the reference height (the height of the sample 9 is constant and horizontal) on the Z stage.

S45は、ラインプロファイルで分解能をチェックする。これは、S44で新しい試料9についてS44で基準高さに合わせた状態で、電子ビームにより試料9のラインプロファイルを取得してその分解能をチェックする(例えば取得した画像のラインプロファイルの分解能が現在の使用目的に対して十分かをチェックする)。 S45 checks the resolution with the line profile. This is because the line profile of the sample 9 is acquired by an electron beam and the resolution is checked with the new sample 9 adjusted to the reference height in S44 in S44 (for example, the resolution of the line profile of the acquired image is the current one). Check if it is sufficient for the purpose of use).

S48は、チャージがあるか判別する。これは、S45のチェックでラインプロファイルでチェックした分解能が十分でなく、試料9あるいは近傍のチャージなどの影響で分解能が低下しているか判別する。YESの場合には、S49でチャージ分のみの補正(チャージに対応した対物レンズの電流を補正)する。一方、S48のNOの場合には、終了する。 S48 determines whether there is a charge. This determines whether the resolution checked by the line profile in the check of S45 is not sufficient, and the resolution is lowered due to the influence of the sample 9 or the charge in the vicinity. If YES, only the charge amount is corrected in S49 (the current of the objective lens corresponding to the charge is corrected). On the other hand, in the case of NO in S48, the process ends.

S46は、S45でチェックしたラインプロファイルでの分解能の情報(試料の高さおよび水平の情報(Zステージの情報)も含む)を記憶する。 S46 stores the resolution information (including the sample height and horizontal information (Z stage information)) in the line profile checked in S45.

S47は、S46で記録した情報(ラインプロファイルの分解能、Zステージの情報(試料の高さおよび水平の情報))を次回に使用する。 The S47 will use the information recorded in S46 (line profile resolution, Z stage information (sample height and horizontal information)) next time.

以上によって、Zステージ22により試料9を基準高さに設定して対物レンズのフォーカス電流を測定した状態で、試料9を交換した後にZステージ22により試料9を基準高さに設定してラインプロファイルで分解能をチェックし、チャージなどがあるかを判別し、チャージなどがあると判明した場合には当該チャージ分のみの補正を行うことにより、試料9を交換した場合に高速かつ安定した自動フォーカスを行うことが可能となる。 As described above, the sample 9 is set to the reference height by the Z stage 22 and the focus current of the objective lens is measured. After the sample 9 is replaced, the sample 9 is set to the reference height by the Z stage 22 and the line profile is obtained. Checks the resolution with, determines whether there is a charge, etc., and if it is found that there is a charge, etc., corrects only the charge, etc., so that high-speed and stable automatic focus can be achieved when the sample 9 is replaced. It will be possible to do.

図14は、本発明の電子ビームによる画像取得例を示す。 FIG. 14 shows an example of image acquisition using the electron beam of the present invention.

図14の(a)は上面図を示し、図14の(b)は強調信号例を示す。 FIG. 14A shows a top view, and FIG. 14B shows an example of an emphasized signal.

図14の(a)において、検出装置A,B,C,Dは、図1から図4、図11における対物レンズ5の下面部分に、光軸対称に配置した検出器の例を示し、ここでは、電子検出器を示す。 In FIG. 14A, the detectors A, B, C, and D show an example of a detector arranged symmetrically with respect to the optical axis on the lower surface portion of the objective lens 5 in FIGS. 1 to 4 and 11. Now, let us show an electronic detector.

図14(b)は、図14の(a)の4つの検出装置A,B,C,Dで検出した信号A,B,C,Dを演算して強調信号を生成した例を示す。 FIG. 14B shows an example in which the signals A, B, C, and D detected by the four detection devices A, B, C, and D of FIG. 14A are calculated to generate an emphasized signal.

以下、実際の装置における特徴を説明する。 Hereinafter, the features of the actual device will be described.

(1)電子ビームオートフォーカスをする場合、非常にコントラストの小さな試料9が存在する。例えば石英から出来たナノインプリント用のテンプレートとか、フォトマスク上に薄い膜が乗っているような場合、あるいはレジストが全体を覆っているような場合などで、同一材料から成る非常に小さな凸凹形状を表面に有するサンプルの場合には、通常のSEMのトップダウン像では画像さえ見ることが出来ないため、通常のSEM信号を用いてオートフォーカスすることは不可能である。 (1) When performing electron beam autofocus, there is a sample 9 having a very small contrast. For example, when a template for nanoimprint made of quartz, a thin film is placed on a photomask, or a resist covers the entire surface, a very small uneven shape made of the same material is surfaced. In the case of the sample contained in, it is impossible to autofocus using a normal SEM signal because even an image cannot be seen with a top-down image of a normal SEM.

(2)このような場合、試料9を斜めから見たときに得られる信号を使うと、オートフォーカスが容易となる。そのためには、電子検出装置を例えば図14に示すように、A,B,C,Dの4つ配置することで試料9から発生する角度に依存した信号電子を検出出来るように成る。配置する位置はプライマリー電子軸から見て軸対称であることが望ましい。例えば、A+Bの信号からC+Dの信号を引き算することにより、Y方向の差画像を作ることが出来る。あるいはA+Cの信号からB+Dの信号を引き算することによりX方向の差信号を作ることが出来る。検出した信号電子を以上の様に処理すると試料9を斜め方向から見たのと同じ効果が得られるため、正面から観察した通常のSEM像よりもパターンエッジがはっきりした画像を得ることが出来る。 (2) In such a case, if the signal obtained when the sample 9 is viewed from an angle is used, autofocus becomes easy. For that purpose, as shown in FIG. 14, for example, by arranging four electron detection devices A, B, C, and D, it becomes possible to detect signal electrons generated from the sample 9 depending on the angle. It is desirable that the placement position is axisymmetric when viewed from the primary electronic axis. For example, a difference image in the Y direction can be created by subtracting the C + D signal from the A + B signal. Alternatively, a difference signal in the X direction can be created by subtracting the B + D signal from the A + C signal. When the detected signal electrons are processed as described above, the same effect as when the sample 9 is viewed from an oblique direction can be obtained, so that an image having a clearer pattern edge than a normal SEM image observed from the front can be obtained.

(3)上記のようなコントラスト強調手法をとった場合でさえ、エッジのコントラストは電子ビーム合焦点が得られている近傍の条件では観察できるが、それ以上に離れてしまうと、正面画像同様まったくエッジは観察できない。つまり、荒く、対物レンズのフォーカス強度を振って調べたのでは、合焦点状態を探し出すことが出来ない。 (3) Even when the contrast enhancement method as described above is adopted, the contrast of the edge can be observed under the condition of the vicinity where the electron beam in-focus is obtained, but when the distance is further than that, the contrast of the edge is completely the same as that of the front image. The edges cannot be observed. In other words, it is not possible to find out the in-focus state by roughly shaking the focus intensity of the objective lens.

(4)本発明の光学式高さセンサーを用いれば、合焦点の0.1ミクロン近傍まで寄せてから、電子ビームフォーカスを適用できるため、確実に、エッジを捉えることが可能で、オートフォーカスが成功する確率を非常に向上させることができる。 (4) By using the optical height sensor of the present invention, the electron beam focus can be applied after the focus is brought close to 0.1 micron, so that the edge can be reliably captured and the autofocus can be achieved. The probability of success can be greatly improved.

図15は、本発明のセンサーヘッドの配置例を示す。 FIG. 15 shows an example of arrangement of the sensor head of the present invention.

図15において、センサー配置可能箇所と記載したいずれか1つの位置あるいは複数の位置に、既述したセンサーヘッド8を配置し、当該センサーヘッド8から放出された光線を図示外の導光器(反射鏡、光ファイバーなど)7でフォトマスク9に垂直に照射し、反射した光線を導光器(反射鏡など)7でセンサーヘッド8に入射することにより、フォトマスク9の高さを光学的に測定することができる。尚、センサーヘッド8からは光ファイバで、既述した図1の分光器11に接続し、当該分光器11の内部でレーザー光線(広帯域)と反射して帰ってきたレーザー光線との干渉により試料9の高さを精密に測定することが可能となる。 In FIG. 15, the sensor head 8 described above is arranged at any one position or a plurality of positions described as a sensor placement location, and the light beam emitted from the sensor head 8 is reflected by a light guide (reflection) (not shown). The height of the photomask 9 is optically measured by irradiating the photomask 9 vertically with a mirror (mirror, optical fiber, etc.) 7 and incident the reflected light rays on the sensor head 8 with a light guide (reflector, etc.) 7. can do. The sensor head 8 is connected to the spectroscope 11 of FIG. 1 described above by an optical fiber, and the sample 9 is caused by the interference between the laser beam (broadband) reflected inside the spectroscope 11 and the returned laser beam. It is possible to measure the height precisely.

図示の状態の1つのセンサーヘッド8でストローク20cmのXYステージでフォトマスク9の全部が測定できる範囲となる。 With one sensor head 8 in the illustrated state, the entire photomask 9 can be measured on the XY stage with a stroke of 20 cm.

図16は、本発明の高さ推定領域の説明図を示す。 FIG. 16 shows an explanatory diagram of the height estimation region of the present invention.

図16において、マスク高さを推定する領域は、2つのセンサーヘッド(Z1)8、センサーヘッド(Z2)8を用いてマスク(試料)9の高さを推定できる領域を示す。 In FIG. 16, the region for estimating the mask height indicates a region where the height of the mask (sample) 9 can be estimated using the two sensor heads (Z1) 8 and the sensor head (Z2) 8.

マスク外形は、試料(フォトマスク)9の外形の例を模式的に示す。 The mask outer shape schematically shows an example of the outer shape of the sample (photomask) 9.

2つの光学式高さセンサーで測定できる領域は、2つのセンサーヘッド(Z1)8、センサーヘッド(Z2)8で、電子ビームの照射位置の高さを推定(測定)できる領域である。その推定(測定)値は、右側に記載した
Zc=(Z1A+Z2B)/(A+B)
・Zc:対物レンズ位置(電子ビーム照射位置)の試料の高さ
・A,B:センサーヘッド(Z1),センサーヘッド(Z2)からの光線を試料
に照射するときの当該試料9上の電子ビーム照射中心位置からの距離
・Z1A,Z1B:距離A,Bにおける試料9の高さ
で求めることができる。
The area that can be measured by the two optical height sensors is the area where the height of the irradiation position of the electron beam can be estimated (measured) by the two sensor heads (Z1) 8 and the sensor head (Z2) 8. The estimated (measured) value is Zc = (Z1A + Z2B) / (A + B) described on the right side.
-Zc: Sample height at the objective lens position (electron beam irradiation position) -A, B: Samples of light rays from the sensor head (Z1) and sensor head (Z2)
Distance from the electron beam irradiation center position on the sample 9 when irradiating with Z1A, Z1B: It can be obtained by the height of the sample 9 at the distances A and B.

尚、本発明の実験で用いた高さセンサーの原理については、例えばキーエンスのセンサーの以下のURLなどに記載されているので、参照ください。 The principle of the height sensor used in the experiment of the present invention is described in, for example, the following URL of the KEYENCE sensor, so please refer to it.

http://www.keyence.co.jp/henni/laser_henni/si/ http://www.keyence.co.jp/henni/laser_henni/si/

本発明の1実施例構造図(その1)である。It is 1 Example structural drawing (the 1) of this invention. 本発明の1実施例構造図(その2)である。It is 1 Example structural drawing (the 2) of this invention. 本発明の詳細構造図(その1)である。It is a detailed structural drawing (the 1) of this invention. 本発明の詳細構造図(その2)である。It is a detailed structural drawing (No. 2) of this invention. 本発明のフォーカスマップ作成フローチャートである。It is a focus map creation flowchart of this invention. 本発明のフォーカスマップ測定点の例である。This is an example of the focus map measurement point of the present invention. 本発明の高さ測定値例である。This is an example of the height measurement value of the present invention. 本発明の測定点を通過する近似曲面例である。It is an example of an approximate curved surface that passes through the measurement point of the present invention. 本発明の試料の高さ測定フローチャートである。It is a flow chart of height measurement of the sample of this invention. 本発明のオートフォーカスフローチャート(その1)である。It is an autofocus flowchart (the 1) of this invention. 本発明の他の実施例構造図である。It is a structural drawing of another Example of this invention. 本発明のオートフォーカスフローチャート(その2)である。It is an autofocus flowchart (No. 2) of this invention. 本発明のオートフォーカスフローチャート(その3)である。It is an autofocus flowchart (No. 3) of this invention. 本発明の電子ビームによる画像取得例である。This is an example of image acquisition using the electron beam of the present invention. 本発明のセンサーヘッドの配置例である。This is an example of arranging the sensor head of the present invention. 本発明の高さ推定領域の説明図である。It is explanatory drawing of the height estimation area of this invention.

1:電子銃
2:電子ビーム
3:偏向装置
4:電子検出器
5:対物レンズ
6:2次電子/反射電子
7:反射鏡、導光器、光ファイバー
8:センサーヘッド
9:フォトマスク、試料
11:分光器
12:フォーカス制御手段
13:画像処理手段
14、15:光ファイバー
21:XYステージ
22:Zステージ
23:サンプルホルダー
31:XYステージ制御手段
32:Zステージ制御手段
33:サンプル高さ情報処理手段
34:オートフォーカス制御手段
35:画像処理手段
36:全体制御手段
1: Electron gun 2: Electron beam 3: Deflection device 4: Electron detector 5: Objective lens 6: Secondary electron / reflected electron 7: Reflector, light guide, optical fiber 8: Sensor head 9: Photomask, sample 11 : Spectrometer 12: Focus control means 13: Image processing means 14, 15: Optical fiber 21: XY stage 22: Z stage 23: Sample holder 31: XY stage control means 32: Z stage control means 33: Sample height information processing means 34: Autofocus control means 35: Image processing means 36: Overall control means

Claims (4)

荷電粒子ビームを細く絞って試料に照射しつつ走査し、そのときに放出、反射、吸収された信号をもとに当該荷電粒子ビームのオートフォーカスを行うオートフォーカス装置において、
前記荷電粒子ビームを細く絞って前記試料に照射しつつ走査する対物レンズおよび走査系を設け、当該対物レンズの外面の部分あるいは当該対物レンズに設けた穴の部分に、干渉装置と光ファイバーで接続されたセンサーヘッドを試料に向けて固定し、
該センサーヘッドが前記干渉装置から入射した光線を試料に向けて放射し、反射して帰ってきた光線を受光して前記干渉装置に出射し、
該干渉装置が光線の出射と入射とをもとに前記センサーヘッドと試料との間の距離をリアルタイムに測定し、該測定した距離をもとに、オートフォーカス手段が荷電粒子ビームを前記試料にオートフォーカスし、試料の全面ないし前記荷電粒子ビームが走査する試料の領域よりも広範囲にフォーカスさせることを特徴とするオートフォーカス装置。
In an autofocus device that scans while irradiating a sample with a finely focused charged particle beam and autofocuses the charged particle beam based on the signals emitted, reflected, and absorbed at that time.
An objective lens and a scanning system for scanning while irradiating the sample with a finely focused charged particle beam are provided, and an interference device and an optical fiber are connected to an outer surface portion of the objective lens or a hole portion provided in the objective lens. Fix the sensor head toward the sample and fix it.
The sensor head emits a light beam incident from the interfering device toward the sample, receives the reflected light beam, and emits the light beam to the interfering device.
The interfering device measures the distance between the sensor head and the sample in real time based on the emission and incidence of light rays, and the autofocus means uses the charged particle beam on the sample based on the measured distance. An autofocus device that autofocuses and focuses on the entire surface of a sample or a wider area than the area of the sample scanned by the charged particle beam .
前記干渉装置を、複数の波長を利用した分光器にしたことを特徴とする請求項1に記載のオートフォーカス装置。 The autofocus device according to claim 1, wherein the interference device is a spectroscope using a plurality of wavelengths. 前記オートフォーカス手段は、少なくとも3つ以上の圧電素子で保持し、試料の高さあるいは試料の高さと傾斜を補正する機構を有するZステージを用い、前記荷電粒子ビームがフォーカスする前記試料を当該荷電粒子ビームの軸方向に移動させフォーカスして高速化したことを特徴とする請求項1から請求項のいずれかに記載のオートフォーカス装置。 The autofocus means uses a Z stage which is held by at least three piezoelectric elements and has a mechanism for correcting the height of the sample or the height and inclination of the sample, and charges the sample to which the charged particle beam focuses. The autofocus device according to any one of claims 1 to 2 , wherein the particle beam is moved in the axial direction to be focused and speeded up. 前記荷電粒子ビームを試料に照射しつつ走査し、そのときに放出、反射、吸収された信号から生成した画像を取得中は、前記1つあるいは複数個のセンサーヘッドによってリアルタイムに該試料の高さを測定することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載のオートフォーカス装置。 While scanning while irradiating the sample with the charged particle beam and acquiring an image generated from the signals emitted, reflected, and absorbed at that time, the height of the sample is measured in real time by the one or more sensor heads. The autofocus device according to any one of claims 1 to 3, wherein the autofocus device is characterized in that.
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