JP7635103B2

JP7635103B2 - 電子線応用装置及び検査方法

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Publication number: JP7635103B2
Application number: JP2021144394A
Authority: JP
Inventors: 百代圓山; 明池上; 剛史森本; 駿木澤
Original assignee: Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2021-09-06
Filing date: 2021-09-06
Publication date: 2025-02-25
Anticipated expiration: 2041-09-06
Also published as: JP2023037678A; DE102022121795A1; US20230071801A1

Description

本発明は、電子線応用装置及びそれを用いた検査方法に関する。

光電子顕微鏡（Photoelectron Emission Microscope：ＰＥＥＭ）は、紫外光やＸ線（励起光）を試料の表面に照射することによって発生する光電子を用いて像を形成する装置であり、試料の表面構造に起因するコントラストを有する光電子像を得ることができる。

特許文献１には、カソード・レンズ顕微鏡（ＰＥＥＭはその一例である）の構造の一例が開示されている。

特表２００９－５２８６６８号公報

ＰＥＥＭの電子光学系では、光電子像を結像レンズ系によりカメラに投影する。観察試料の高さが異なると、光電子像のフォーカスをあわせるために対物レンズの強度（焦点距離）を変更する必要がある。これにより、結像レンズ系の物面に形成される光電子像の大きさが変化し、この結果、カメラ（結像レンズ系の像面）に投影される光電子像の大きさが変化してしまう。

フォーカス調整に伴う光電子像の大きさの変化をなくすためには、例えば、フォーカス調整を標準試料、または、観察試料上の大きさが既知であるパターンの光電子像を取得することで、得られた光電子像の倍率を把握し、所定の倍率になるよう光電子像の倍率を調整すればよい。しかしながら、この方法では倍率の調整のために観察視野の移動が必要となり、時間がかかる。また、光電子像の倍率を精度よく算出するためには、高いコントラストをもつ光電子像を得る必要がある。

本発明の一実施の態様である電子線応用装置は、試料に励起光を照射する光学系と、励起光が照射された試料から放出される光電子による光電子像をカメラに投影する電子光学系と、制御部とを有し、光学系は励起光を発生させる光源とパターン形成部とを備え、パターン形成部がＯＮのときには励起光は試料の表面に光学パターンを形成し、パターン形成部がＯＦＦのときには、励起光は、試料の表面に光学パターンを形成することなく、試料に照射され、制御部は、パターン形成部をＯＮとして得られた光電子像において光学パターンによって形成された明暗パターンの特徴量に基づき電子光学系の調整を行う。

投影型電子線応用装置の電子光学系の調整を高速かつ高精度に実施可能とする。その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

電子線応用装置の構成例である。干渉縞の模式図である。干渉縞の模式図である。パターン形成部の構成例である。パターン形成部の構成例である。パターン形成部の構成例である。パターン形成部の構成例である。マスクパターンの例である。パターン形成部をＯＮ，ＯＦＦしたときの光電子像を説明するための図である。電子線応用装置による観察フローチャートである。ＰＥＥＭ式検査装置による検査フローチャートである。

図１に本実施例の電子線応用装置の構成例を示す。図１は、レーザ光やＸ線などの励起光を試料の表面に照射して発生する光電子による像（光電子像）を得るＰＥＥＭを例示している。装置本体１０は、その主要な構成として、試料４を載置するステージ７、励起光５を試料４に照射する光学系１、光電子像を撮影するカメラ３、光電子像をカメラ３に投影する電子光学系２を有している。光学系１は、励起光５を発生させる光源１１とパターン形成部１２とを備えている。パターン形成部１２は、光源１１からの励起光５をパターン光として試料４に照射し、試料４の表面に光学パターンを形成する。詳細については後述するが、パターン形成部１２をＯＮすることでパターン光が、パターン形成部１２をＯＦＦすることで試料表面に光学パターンを形成しない光（以下では均一光とよぶ）が光学系１から試料４に照射される。その他、光学系１は励起光５を試料４に照射するために、レンズやミラーなどの光学素子を備える場合もある。励起光５を試料４に照射することにより発生した光電子６による光電子像は電子光学系２によりカメラ３に投影される。図１では電子光学系２は電子レンズに代表させて表示しているが、１段以上の電子レンズ、その他の電子光学素子を備えている。カメラ３は光電子そのものを検知して撮影するものであってもよいし、シンチレータを備え、シンチレータによって電子を一旦光に変換し、変換された光を検知して撮影するものであってもよい。

装置本体１０は制御部２０と接続されている。制御部２０は、ＧＵＩ（Graphical User Interface）装置２２から入力されるユーザからの指示を受けて装置本体１０の制御を行うとともに、カメラ３で撮影された光電子像の画像処理を行う。制御部２０は記憶部２１を備え、記憶部２１には、装置本体１０の制御パラメータや、光電子像が記憶される。

以下に、パターン形成部１２が試料４上に照射するパターン光について説明する。パターン光により形成される光学パターンの第１の例は、光源１１からの励起光をパターン形成部１２により複数の励起光に分岐させ、それらが互いに干渉することによって発生する干渉縞である。図２Ａは、パターン形成部１２が１次元の光路差を形成したときに得られる干渉縞の模式図であり、励起光５の強度が試料表面上でストライプパターンをなすように変化している。図２Ｂは、パターン形成部１２が２次元の光路差を形成したときに得られる干渉縞の模式図であり、励起光５の強度が試料表面上で同心円パターンをなすように変化している。

図３Ａ～図３Ｃに、試料表面に干渉縞を形成するパターン形成部１２の構成例を示す。図３Ａは、パターン形成部１２に光学平面をもつ光学素子３０を用いる例である。パターン形成部１２をＯＮする場合には、光学素子３０を励起光の光路に挿入する。励起光が光学素子３０の入射面３１と出射面３２との間で多重反射することにより、光路差をもつ光に分岐され、干渉縞が生じる。パターン形成部１２をＯＦＦする場合には、光学素子３０を励起光の光路の外へ移動させる。なお、図では入射面３１と出射面３２との反射に角度をつけて表示しているが、これは多重反射している様子を分かりやすく示すためのものである。光学素子３０の光学平面が光路に対して垂直に配置される場合には、出射面３２からの反射光は出射面３２と垂直な方向に反射されるため、図３Ａに示されているような光学素子３０を透過した光と光学素子３０内で反射した光との間に位置ずれは発生しない。

図３Ｂは、光路分岐によって光路差を発生させる光学アセンブリ４０を用いる例である。光学アセンブリ４０は入射した光を複数の光路に分岐させ、再度合流させて出射させる。図３Ｂの例では、光学アセンブリ４０は、可動するハーフミラー４１ａ，４１ｂと固定されたミラー４２ａ，４２ｂとを有する。パターン形成部１２をＯＮする場合には、ハーフミラー４１ａ，４１ｂを励起光の光路に挿入する。ハーフミラー４１ａ，４１ｂが励起光の光路に挿入されることにより、ハーフミラー４１ａにより、ハーフミラー４１ａを透過する光と反射する光に分岐される。透過光４３はハーフミラー４１ｂを透過し、光学アセンブリ４０から出射される。一方、反射光４４は、ミラー４２ａ、ミラー４２ｂ、ハーフミラー４１ｂで反射され、透過光４３と合流して光学アセンブリ４０から出射される。光路差をもつ励起光が干渉することにより、干渉縞が生じる。パターン形成部１２をＯＦＦする場合には、ハーフミラー４１ａ，４１ｂを励起光の光路の外へ移動させる。

図３Ｃは可動ミラー５０を用いる例である。パターン形成部１２をＯＮする場合には、可動ミラー５０を、励起光５が試料４で反射した反射光５１の光路と垂直となるように配置し、可動ミラー５０の反射光５２と励起光５とを干渉させて干渉縞を生じさせる。パターン形成部１２をＯＦＦする場合には、可動ミラー５０を反射光５１の光路の外へ移動させる。

パターン光により形成される光学パターンの第２の例では、光源１１からの励起光をパターン（マスクパターンという）が形成された光学マスクに透過または反射させ、マスクパターンを試料４に投影する。光学マスクとしては透過型マスクまたは反射型マスクが使用でき、光学マスクのマスクパターンが試料４上で結像するよう、パターン形成部１２はレンズまたはミラーを含む投影光学系を備える。図４Ａは透過型マスク６０と投影レンズ６１により、透過型マスク６０に形成されているマスクパターンを試料４に投影させるパターン形成部１２の構成例を示している。

図４Ｂに図４Ａに示した透過型マスク６０に形成されるマスクパターン例を示す。励起光を透過させる透過部６３と励起光を遮蔽する遮蔽部６４により市松模様が形成されている。反射型マスクであっても反射部と透過部とを同様に設けることで、試料４上に同じパマスクパターンを投影することが可能である。マスクパターンの形状については限定されないが、後述するように光学パターンによって形成される明暗パターンの特徴量を用いて電子光学系を調整するため、ラインエッジを多く含む２値パターンとすることが望ましい。

パターン形成部１２をＯＮする場合には、光源１１からの励起光の光路上に光学マスクを挿入する。パターン形成部１２をＯＦＦする場合には、光学マスクを励起光の光路の外へ移動させてもよいし、光源１１から光学マスクを通ることなく試料４に励起光を照射する迂回路をあらかじめ設けておき、励起光の光路を迂回路に切り替えるようにしてもよい。

図５を用いてパターン形成部１２をＯＮ，ＯＦＦしたときの光電子像について説明する。光電子像７０はパターン形成部をＯＦＦとしたとき（観察時）の光電子像である。光学系１は、パターン形成部１２がＯＦＦとされている場合には、光源１１からの励起光が均一に試料４に照射されるように調整されている。試料４に材料または構造が異なる領域が存在すると、励起光５が照射されたことにより発生する光電子の放出確率が当該領域と他の領域とで異なる。光電子の放出確率の違いが光電子像のコントラストとなって、光電子像が得られる。

光電子像７０における領域７２は、試料４の表面における材料や構造が異なる領域を反映している。照射する励起光の強度が高い程、明るい光電子像が得られるため、励起光５として均一光を照射するときの励起光強度をＡ、試料表面における光電子放出確率をＰ（ｘ，ｙ）、光電子像７０の輝度をＩ_１（ｘ，ｙ）とするとき、
Ｉ_１（ｘ，ｙ）＝Ａ・Ｐ（ｘ，ｙ）
と表現できる。

一方、パターン形成部１２がＯＮとされ、励起光５としてパターン光を照射するとき、励起光強度が照射位置によって異なることになるため、励起光強度をＡ（ｘ，ｙ）、光電子像７１の輝度をＩ_２（ｘ，ｙ）とするとき、
Ｉ_２（ｘ，ｙ）＝Ａ（ｘ，ｙ）・Ｐ（ｘ，ｙ）
と表現できる。

パターン光の励起光強度Ａ（ｘ，ｙ）のとりうる値は、理想的には最大値がＡ（均一光を照射するときの励起光強度）、最小値を０（励起光が照射されない状態）とできるため、光学パターンによって形成される明暗パターンのコントラストは、試料の材料や構造による光電子放出確率Ｐ（ｘ，ｙ）によって生じるコントラストよりも大きなコントラストを得ることができる。したがって、試料４の試料表面の材料や構造にかかわらず、光電子像７１において光学パターンによって形成される明暗パターン７３は観察が容易であり、解析も精度よく行える。本実施例ではこのことを利用して、第１に、明暗パターン７３の鮮鋭度に基づき電子光学系２のフォーカス調整を行う。光学パターンによって形成される明暗パターンは高コントラストであるため、フォーカス調整を容易に、また精度よく行える。第２に、試料上の光学パターンの寸法と光電子像７１における明暗パターン７３とに基づき、光電子像の倍率を算出する。光学パターンによって形成される明暗パターンは高コントラストであるため、光電子像の倍率算出も容易に、また精度よく行える。パターン光によって形成される試料上の光学パターンの寸法はあらかじめ求めておき、記憶部２１に記憶しておく。

図６に電子線応用装置による観察のフローチャートを示す。本フローは制御部２０により制御される。まず、観察準備を行う（Ｓ０１）。観察準備完了した段階で、観察視野に観察したい試料表面の位置がとらえられていればよい。次に、制御部２０はパターン形成部１２をＯＮとし（Ｓ０２）、調整用画像を取得する（Ｓ０３）。調整用画像は例えば、光電子像７１（図５参照）のような光電子像である。調整用画像の明暗パターンから光電子像の鮮鋭度と倍率とを算出し、あらかじめ定めてある閾値と比較する（Ｓ０４）。

明暗パターンが例えば光電子像７１の明暗パターン７３のようなラインパターンである場合には、鮮鋭度の指標としてラインパターンのエッジにおける輝度変化を用いることができる。例えば、エッジ部分における輝度変化が急峻であれば鮮鋭度が高く、緩やかであれば鮮鋭度が低いと判断できる。また、調整用画像に含まれるラインパターンの本数をカウントすることにより、ラインパターンに対応する光学パターンの寸法が既知であるので、調整用画像に写っている領域の実寸を算出できる。実寸と調整用画像の大きさから倍率を算出することができる。

調整用画像の鮮鋭度と倍率とが所望の閾値を満たさない場合には、電子光学系２のレンズ値を変更し、倍率調整やフォーカス調整を行う（Ｓ０５）。調整用画像の鮮鋭度と倍率とが所望の閾値を満たしている場合には、パターン形成部をＯＦＦとし（Ｓ０６）、観察用画像を取得する（Ｓ０７）。観察用画像は例えば、光電子像７０（図５参照）のような光電子像である。電子光学系の調整を明暗パターンで行うことにより、試料表面の光電子像を所望の倍率で、鮮明な光電子像として取得することができる。

ＰＥＥＭは一般的には試料の分析を目的とする観察に用いられるが、現在、光を用いる光学式検査装置、電子線を用いるＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）式検査装置が広く用いられている、半導体ウエハの表面に形成されたパターン形状の検査装置として、ＰＥＥＭが利用できると考えられる。光学パターンによって形成される明暗パターンを用いて電子光学系の調整を高速かつ高精度で実施する本実施例は、ＰＥＥＭ式検査装置に対して極めて有効である。

図７にＰＥＥＭ式検査装置による検査のフローチャートを示す。本フローも制御部２０により制御される。図６のフローチャートと同じ処理については同じ符号を付して、重複する説明は省略する。半導体ウエハには複数の検査点が設定されており、ある検査点に対する検査用画像が取得（Ｓ０７ａ）された後、次の検査点にステージ移動する（Ｓ１１）。制御部２０はパターン形成部１２をＯＮとし（Ｓ０２）、調整用画像を取得する（Ｓ０３）。調整用画像の明暗パターンから光電子像の鮮鋭度と倍率とを算出し、あらかじめ定めてある閾値と比較する（Ｓ０４）。

調整用画像の鮮鋭度と倍率とが所望の閾値を満たさない場合には、電子光学系２のレンズ値を変更し、倍率調整やフォーカス調整を行う（Ｓ０５）。調整用画像の鮮鋭度と倍率とが所望の閾値を満たしている場合には、パターン形成部をＯＦＦとし（Ｓ０６）、検査用画像を取得する（Ｓ０７ｂ）。その後、次の検査点にステージ移動する。

上述したように、フォーカス調整を行うことにより、当該検査点での検査用画像の倍率が変化する。レンズ値変更ステップ（Ｓ０５）において、検査用画像が一定の倍率になるようにレンズ値を調整してもよい。あるいは、倍率が所定の範囲内であれば、各検査点での検査用画像の倍率をあわせるためのレンズ値の調整を行わなくてもよい。これにより検査用画像取得のスループットを向上させることができる。倍率調整のためのレンズ値変更を行わない代わりに、倍率に基づき、画像処理によって得られた検査用画像を拡大または縮小処理してもよいし、検査用画像に対する画像処理をおこなうことなく、検査における良否判定を検査用画像の倍率を考慮して行うようにしてもよい。

１：光学系、２：電子光学系、３：カメラ、４：試料、５：励起光、６：光電子、７：ステージ、１０：装置本体、１１：光源、１２：パターン形成部、２０：制御部、２１：記憶部、２２：ＧＵＩ装置、３０：光学素子、３１：入射面、３２：出射面、４０：光学アセンブリ、４１ａ，４１ｂ：ハーフミラー、４２ａ，４２ｂ：ミラー、４３：透過光、４４：反射光、５０：可動ミラー、５１，５２：反射光、６０：透過型マスク、６１：投影レンズ、６３：透過部、６４：遮蔽部、７０，７１：光電子像、７２：領域、７３：明暗パターン。

Claims

試料に励起光を照射する光学系と、
前記励起光が照射された前記試料から放出される光電子による光電子像をカメラに投影する電子光学系と、
制御部とを有し、
前記光学系は前記励起光を発生させる光源とパターン形成部とを備え、前記パターン形成部がＯＮのときには前記励起光は前記試料の表面に光学パターンを形成し、前記パターン形成部がＯＦＦのときには、前記励起光は、前記試料の表面に前記光学パターンを形成することなく、前記試料に照射され、
前記制御部は、前記パターン形成部をＯＮとして得られた光電子像において前記光学パターンによって形成された明暗パターンの特徴量に基づき前記電子光学系の調整を行う電子線応用装置。
請求項１において、
前記制御部は、前記明暗パターンの鮮鋭度が所定の閾値を満たすように前記電子光学系のフォーカスを調整する電子線応用装置。
請求項１において、
前記制御部は、前記光学パターンの寸法をあらかじめ記憶しており、前記明暗パターンとあらかじめ記憶している前記光学パターンの寸法とに基づき、前記光電子像の倍率を算出する電子線応用装置。
請求項３において、
前記制御部は、前記光電子像の倍率が所定の閾値を満たすように前記電子光学系の倍率を調整する電子線応用装置。
請求項１において、
前記光学パターンは干渉縞であり、前記干渉縞は、前記光源からの励起光を前記パターン形成部が光路差をもつ複数の励起光に分岐させ、前記複数の励起光が互いに干渉することにより発生する電子線応用装置。
請求項５において、
前記パターン形成部は、光学平面をもつ光学素子を含み、前記パターン形成部がＯＮのときに前記光学素子は前記励起光の光路に挿入され、前記パターン形成部がＯＦＦのときに前記光学素子は前記励起光の光路の外に配置される電子線応用装置。
請求項５において、
前記パターン形成部は、入射した光を複数の光路に分岐させ、再度合流させて出射する光学アセンブリを含み、前記パターン形成部がＯＮのときに前記光学アセンブリは前記励起光を前記複数の光路に分岐させ、再度合流させて出射し、前記パターン形成部がＯＦＦのときに前記光学アセンブリは前記励起光を前記複数の光路に分岐させることなく、そのまま出射する電子線応用装置。
請求項１において、
前記光学パターンは干渉縞であり、前記干渉縞は、前記励起光が前記試料で反射した反射光をミラーにより前記試料に向けて反射させることにより、前記励起光と前記ミラーからの反射光とが互いに干渉することにより発生する電子線応用装置。
請求項８において、
前記パターン形成部がＯＮのときに前記ミラーは前記試料からの反射光を前記試料に向けて反射するよう配置され、前記パターン形成部がＯＦＦのときに前記ミラーは前記試料からの反射光の光路の外に配置される電子線応用装置。
請求項１において、
前記パターン形成部は、マスクパターンが形成された光学マスクと前記マスクパターンを前記試料に投影する投影光学系とを備え、前記光学パターンは、前記試料の表面に投影された前記マスクパターンである電子線応用装置。
請求項１０において、
前記パターン形成部がＯＮのときに前記光学マスクは前記励起光を透過もしくは反射するよう配置され、前記パターン形成部がＯＦＦのときに前記光学マスクは前記励起光の光路の外に配置される、または前記励起光の光路を前記光学マスクに対して迂回させる電子線応用装置。
試料を載置するステージと、前記試料に励起光を照射する光学系と、前記励起光が照射された前記試料から放出される光電子による光電子像をカメラに投影する電子光学系と、制御部とを備える電子線応用装置を用いる検査方法であって、
前記試料には複数の検査点が設定され、
前記複数の検査点のいずれかが観察視野に含まれるように前記ステージを移動させ、
前記光学系が備えるパターン形成部をＯＮとして、前記励起光が前記試料の表面に光学パターンを形成した状態での光電子像である調整用画像を取得し、前記調整用画像において前記光学パターンによって形成された明暗パターンの特徴量に基づき前記電子光学系の調整を行い、
前記光学系が備えるパターン形成部をＯＦＦとして、前記励起光が前記試料の表面に前記光学パターンを形成しない状態での光電子像である検査用画像を取得する検査方法。
請求項１２において、
前記調整用画像の前記明暗パターンの鮮鋭度が所定の閾値を満たすように前記電子光学系のフォーカスを調整する検査方法。
請求項１３において、
前記制御部は、前記光学パターンの寸法をあらかじめ記憶しており、前記調整用画像の前記明暗パターンとあらかじめ記憶している前記光学パターンの寸法とに基づき、前記調整用画像の倍率を算出する検査方法。
請求項１４において、
前記調整用画像の倍率が一定となるように、前記調整用画像の倍率に基づき前記電子光学系の倍率調整を行う、または前記調整用画像の倍率に基づき前記検査用画像の拡大もしくは縮小を行う画像処理を行う検査方法。