JPH0296605A - 微小寸法測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は電子線を利用してＬＳＩ等のパターンの寸法を
測定する微小寸法測定装置に関するものである。

［従来の技術］ 第１１図は従来の微小寸法測定装置の構成を示す。電子
線源１より放射された電子線は収束レンズ４，５、対物
レンズ８で絞られて試料１８上に収束される。試料１８
はＸＹステージ１７の上にのっており、ビーム走査また
はステージ走査またはその両方の組合せによってビーム
は試料面上を走査し、電子検出器（図示せず）によって
ビーム位置に応じた試料面上の凹凸が検出される。例え
ばｘ−Ｚ断面が第８図に示すような試料をＸ方向に走査
すると第９（ａ）図のようなパターン検知信号が得られ
、これをしきい値Ｖ。で２値化することにより、第９（
ｂ）図のような寸法検出信号が得られる。

この寸法検出信号の時間軸はビーム走査量もしくはステ
ージ走査量と時間との関係が既知であるため距離に変換
してパターンの寸法を測定できる。

［発明が解決しようとしている問題点］第９（ａ）図の
寸法検出信号の立上り部分を拡大して第１０　（ａ）図
に示す。この図に見るように信号には必ずノイズがのっ
ているのでしきい値■。

で２値化するとΔＸの誤差を生じて寸法の測定精度を低
下させることになる。ノイズには信号処理回路系で生ず
るノイズと電子線鏡筒系で生ずるノイズがあるがここで
は後者を採り上げている。電子線鏡筒系で生ずるノイズ
に対するＳ／Ｎは電子の個数ｎの平方根ＦＴに比例する
。しかし電子線プローブの電子の数を増やすとスポット
の径が大きくなり、信号は第ｉ　ｏ　（ｂ）図で示すよ
うに立上りりのスロープがなだらかになってしまう。信
号全体としてＳ／Ｎは向上しているのにスロープがなだ
らかになったためしきい値ｖ０で切ったときのΔＸは小
さくならないかまたは大きくなることさえもある。ΔＸ
を小さくするためにはスポットをできるだけ小さくして
電流量を増やす、すなわち電子線プローブの電流密度を
上げなければならない、プローブの電流密度を高めるに
は陰極からの放射電流を大とくするか、電子線の縮小倍
率を大きくすればよい。しかし、陰極からの放射電流を
大きくすると陰極の寿命が短かくなるし、放射電流それ
自体も不安定になりやすい。また縮小倍率を大きくする
と電子線プローブの開き角が大きくなるので球面収差が
大きくなり、スポット径も大きくなワて結果的に電流密
度は向上しない。

本発明の目的は、スポット径を大きくすることなく電子
個数を増大して微小寸法の測定精度を向上させる微小寸
法測定装置を提供することである。

［問題点を解決するための手段］ 上記の目的は本発明にしたがって、少なくとも一対の電
子線鏡筒を使用し、各鏡筒のビームに試料面上の異なる
点にスポットを結ばせ、それらのスポットの中心がＸＹ
ステージの走査方向の一つと平行な直線上にのるように
調整し、各鏡筒の対物レンズに隣接して設けた電子検出
器の出力を加算して寸法検出信号を発生させることによ
り達成される８本発明によりステージを走査する方向の
スポット径はそのままで、ステージを走査する方向に直
角な方向に多量の電子を投入してＳ／Ｎ比を向上させる
ことができる。

すなわち本発明の微小寸法測定装置は、光軸が同一平面
内にある少なくとも一対の電子線鏡筒、これらの電子線
鏡筒に隣接して配置された少なくとも２つの電子検出器
、これらの電子検出器に接続され、電子検出器からの出
力を加算する加算手段、電子ビーム検出器、およびこの
電子ビーム検出器と上記の電子線鏡筒のビーム位置修正
手段とに接続され、上記の電子線鏡筒からの２つのビー
ムスポットの中心を通る直線が走査方向に平行に、そし
てそれらの中心の間隔が所定の間隔となるように上記の
電子ビーム検出器からの出力から上記の電子線鏡筒のビ
ーム位置修正手段に加える信号を決定する中央処理装置
を備えている。特に、電子ビーム検出器はナイフェツジ
電極であり、また２つのビームスポットの中心の間隔は
最小錯乱円の数倍に選択される。

［実施例］ 本発明の第１の実施例を示す第１，２図を参照する。こ
れらの図において、Ｉａ、ｌｂは電子線鏡筒２は陰極、
３は電子線量を制御する制御電極で、これらが電子銃を
構成している。４は陽極、５は収束レンズ、６，６０は
ビーム位置修正コイル、７は対物レンズ、８ａ、８ｂは
２次電子または反射電子を検出する電子検出器であるマ
イクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）、１０はミラー１
１は試料、１２は回転テーブル、１３はＸＹステージ、
１４はナイフェツジ電極、１６．１７はコネクタ、１８
はビニールバイブ、２０は電磁バルブ、２２はバイブ、
３０はプリアンプ、３１はＡ／Ｄコンバータ、３２は加
算器、３３は抵抗、３４−３６はレーザ測長系、３５は
マイクロチャンネルプレート、３７はドライバ、４０は
中央処理装置、４１は空圧駆動機構のラック、４２は案
内ロッドである。

この第１の実施例では２本の電子線量ｉ！Ｊ　１　ａ　
。

１ｂを使用している。これらの電子線鏡筒１ａと１ｂは
その光軸が略同−平面内にあり、そして互いにほぼ直交
するように配置されている。電子線鏡筒１ａ、１ｂの下
方で試料１１は回転テーブル１２に固定され、この回転
テーブル１２はＸＹステージ１３上で回転するよう支持
されている。

試料台１３にはこの他にミラー１０、ナイフェツジ電極
１４、空圧駆動機構４１．４２が設けられている。ミラ
ー１０はレーザ測長系３４〜３６によってＸ、Ｙ方向の
位置を測定するときの基準である。Ｘ軸、Ｙ軸に平行な
エツジ１４ｍ、１４ｇを有するナイフェツジ電極１４は
検出センサであって２個のビームスポット５０ａ、５０
ｂの中心を通る直線が試料１１上のパターンｔｔｐに平
行で、かつ試料面１１上では２個のスポットの間隔が最
小錯乱円の数倍になるようにビーム位置を調整するため
に使用する。ナイフェツジ電極１４の出力はプリアンプ
３０、Ａ／Ｄコンバータ３１を介して中央処理装置４０
に接続されている。図に示すように、このナイフェツジ
電極１４の電極上面と試料面とは面一になっている。第
２図（ｂ）に示す空圧駆動機構は試料および回転テーブ
ルを９０度回転させるための機構であって、ラック４１
は回転テーブル１２の外周に設けられたピニオンギヤ＋
２ｐと係合して、ラック４１が前後に動くとピニオンギ
ヤ１２は時計方向もしくは反時計方向に９０°回転する
。

９０’の角度規制はピニオンギヤ１２のみぞ１２ｇとビ
ン３８とによって行なわれる。

ラック４１はピニオンギヤ１２とかみ合う一方で案内ロ
ッド４２によって直線運動するように案内される。第３
図に示すようにラック４１と案内ロッド４２はピストン
固定シリンダ可動のエアシリングを構成しており、案内
ロッド４２はロッド、ピストン、配管の機能を兼ねてい
る。案内ロッド４２はラック４１と摺動する一方で、Ｘ
Ｙステージ１３に両端を固定され、コネクタ１６、ビニ
ールバイブ１８から空気の供給をうける。

第１（ｂ）図に示すように電子線鏡筒１ａ、１ｂは電子
銃２．３、陽極４、収束レンズ５、対物レンズ７、ビー
ム位置修正コイル、６．６０を有している。修正コイル
６．６０は中央処理装置４０からドライバ３７を介して
修正信号をうけ、２個のスポット５０ａ、５０ｂの中心
を通る直線が試料パターンｔｔｐに平行で、スポットの
間隔が最小錯乱円の数倍となるようにビーム位置を修正
する。

また電子線鏡筒１ａ、Ｉｂの対物レンズに隣接して２次
電子または反射電子検出器たるマイクロチャンネルプレ
ート（ＭＣＰ）８ａ、８ｂが設けられ、電子検出器８ａ
は電子線鏡筒１ｂの一次ビームによる信号を、電子検出
器８ｂは電子線鏡筒Ｉｇの一次ビームによる信号を各々
相補的に検出するように配置され、その出力は加算器３
２へ接続されている。また試料上方に設は電子検出器３
５からの出力も加算器３２に加えられる。このような構
成において、まず電子線鏡筒１ｂのビームはブランキン
グ手段（図示せず）によって試料面に到達しないように
しておいて電子線鏡筒１ａのビームのみを試料面に収束
させる０次にステージをＸ方向に走査してビーム位置を
ナイフェツジ電極１４の主たるエツジ１４ｍのあたりに
移動させ電子線鏡筒１ａのビーム位置修正コイル６に偏
向電流を１５から１．まで時間軸にリニアに加える。同
時にこのとき一定時間間隔でナイフェツジ電極１４の出
力を中央処理装置４０に取り込む。

すると第４図に示すような偏向電圧ナイフェツジ電極１
４の出力との関係に対応したテーブルが得られる。そこ
で、Ｉ３に対応する出力■、と■。

に対応する出力ＶＨから局（ｖＬ＋ｖ、）を求め先程の
テーブルからｙ２（ｖＬ＋Ｖ、＞に対応する偏向電流１
ｄを逆に求める。この偏向電流Ｉｄをコイル６に流すと
電子鏡筒１ａのスポットは第２（ａ）図における５０ａ
’の位置、すなわちエツジ電極のエツジ付近に収束する
。次に電子線鏡筒１ａのビームをブランクさせ電子線鏡
筒１ｂのビームのみによって同じことを行なう。こうし
て電子線鏡筒１ａのビームスポット５０ａと電子線鏡筒
１ｂのビームスポット５０ｂをパターンｌｌｐに平行に
合わせることができる。次にビームスポット５０ａと５
０ｂの間隔を調整する。ナイフェツジ電極１４の出力が
ｖ）ｌになる位置までステージをＸ走査する。そしてま
た電子線鏡筒１ｂのビームをブランクして電子線鏡筒１
ａのみをナイフェツジ電極１４上に収束させる。ここで
Ｘ位置を固定しＹを時間にリニアにＹ、からＹ、まで走
査しつつナイフェツジ電極１４のエツジ１４ｍに直角な
エツジ１４５からの出力を一定の時間間隔で中央処理装
置にとり込み第３図と同様のナイフェツジ電極１４の出
力とＹ変位の関係に相当するテーブルを得る。そしてＸ
方向と同様に電子線鏡筒１ａのビームがエツジ１．４　
Ｓ付近に来る変位Ｙｍを逆算する６次に電子線鏡筒１ａ
のビームをブランクし、電子線鏡筒１ｂのビームのみ照
射する。

ステージを先程のＹｍからＸ方向にビームの最小錯乱円
の数倍隔りた距離だけ走査して固定し、コイル６の偏向
方向と直交する方向にビームを動かす修正コイル６０に
偏向電流をＸＳからＩ、まで時間にリニアに加え、上に
述べたと同様の手順で電子線鏡筒１ｂのビームスポット
５０ｂがエツジ１４５の中心付近にくる電流１ｄを求め
て修正コイル６０に加える。こうしてビームの位置調整
は完了する。このあとは従来と同様にステージを走査す
ればＸ方向のみの寸法測定ができる。第５図は電子検出
器８ａまたは８ｂのみによる寸法検出信号Ｓ１の立上り
と本発明に従って電子検出器８ａと８ｂの和である寸法
検出信号Ｓ２の立上りを比較して示している。信号Ｓ２
は信号Ｓ１に比べ信号レベルが２倍、ノイズレベルがｉ
ｆ倍になつている１寸法測定方向のスポット径はビーム
が１本のときと同じスポット径であるので立上りのスロ
ープも２倍になっている。このためあるしきい値で２値
化したときのバラツキ幅はビーム−本のときの約０．７
倍にできる。

第２（ａ）図のパターン１１ρとは直角方向の寸法を測
定したいときには回転テーブルＩ２を９０°回転させる
。第３図のチャンバ４５ａを加圧し、チャンバ４５ｂが
大気に開放するように電磁バルブ２０を切換えてラック
４１を駆動して回転テーブル１２を９０”回転させる。

本発明の第２の実施例を示している第６．７図を参照す
る。第１の実施例と同じ部分には同じ参照数字を付して
あり、その説明は省略する。

第６（ａ）図は正面図、第６（ｂ）図は側面図である。

この実施例は電子線鏡筒４木と電子検出器４個とを使用
している。まず光軸を同一平面内で直交させて一対の電
子線鏡筒ｆｃ、ｌｄを第１の実施例と同様に配置し、更
に別のやはり光軸を同一平面内で直交させて一対の電子
線鏡筒１ｅ、ｉｆを、多対の２光軸を含む平面が直交す
るようにして配置する。多対の信号干渉を避けるため第
６図に示すように非軸対称に配置している。電子検出器
８ｃ、８ｄ、３５の出力が加算され電子検出器８ｅ、８
ｆ、３５の出力が加算される。

第７図に示すようにナイフェツジセンサ１４は一個だけ
設けられており、回転テーブルと駆動機構とは設けられ
ていない。

この構成においてＸ方向の寸法を測定するには、第１の
実施例と同様に、電子線鏡筒１ｃ、ｌｄのビーム位置５
０ｃ、５０ｄを調整し、それから従来の仕方で寸法測定
を行なう。Ｙ方向の寸法を測定するにはナイフェツジ電
８ｉ１４のエツジ１４ｍと１４３を使用する順序と、Ｘ
、Ｙの走査順序を第１の実施例の説明で述べた手順とは
逆にして電子線鏡筒１ｅ、Ｉｆのビーム位置５０ｅ、５
０ｆを調整し、それから従来の仕方で寸法測定を行なう
。この第２の実施例では４木の電子線鏡筒を非軸対称に
配置したが、これらを軸対称に配置してもＸ方向測定中
はＹ方向用のビームをブランクしておき、Ｙ方向測定中
はＸ方向用のビームをブランクしておくことにより相互
の干渉を避けることができる。いずれの実施例も２本の
ビームの和により寸法測定の精度を向上させているが、
３本以上のビームを用いてもよい。

［発明の効果コ 本発明に従って複数本の電子線のスポットを被測定パタ
ーンに平行に並置して、各スポットに起因する２次電子
または反射電子信号の和をとって寸法検出信号をつくる
ことにより寸法測定における測定値のバラツキをスポッ
トの個数の平方根に比例して小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１（ａ）図は本発明の第１の実施例の正面図であり、
第１（ｂ）図は側面図である。 第２（ａ）図は第１の実施例のステージ部の平面図であ
り、第２（ｂ）図は回転テーブルの９０度回動機構そ示
す図である。 第３図は９０度回動機構の駆動手段を示す。 第４図は偏向電流とナイフェツジ電極の出力との関係を
示すグラフである。 第５図は従来の微小寸法測定装置の寸法検出信号と第１
の実施例の寸法検出信号とを対比して示すグラフである
。 ”４６　（ａ）図は本発明の第２の実施例の正面図であ
り、第６（ｂ）図は側面図である。 第７図は第２の実施例のステージ部の平面図である。 第８図はパターンの凹凸形状を示す図である。 第９（ａ）図は検出信号の形状を示すグラフであり、第
９（ｂ）図は検出信号を整形した寸法検出信号の形状を
示すグラフである。 第１０　（ａ）、（ｂ）図は寸法検出信号の立上り部分
の拡大図であり、立上りの傾斜と測定値のバラツキとの
関係を説明する図である。 第１１図は従来の微小寸法測定装置の構成を示す。 図中： ｌａ　　ｌｂ　　１ｃ、１ｄ、ｌｅ、ｉｆ：電子線鏡筒
、 ８ａ、８ｂ、３５：電子検出器、 ３２：加算器、 １４：ナイフェツジ電極（電子ビーム検出器）１２：回
転テーブル、 ４１．４２＋空圧駆動機構のラックと案内ロッドであっ
て照射試料を９０度回転 させる手段を構成しており、そし て４０は中央処理装置である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）光軸が同一平面内にある少なくとも一対の電子線
   鏡筒、 これらの電子線鏡筒に隣接して配置された少なくとも２
   つの電子検出器、 これらの電子検出器に接続され、電子検出器からの出力
   を加算する加算手段、 電子ビーム検出器、および この電子ビーム検出器と上記の電子線鏡筒のビーム位置
   修正手段とに接続され、上記の電子線鏡筒からの２つの
   ビームスポットの中心を通る直線が走査方向に平行に、
   そしてそれらの中心の間隔が所定の間隔となるように上
   記の電子ビーム検出器からの出力から上記の電子線鏡筒
   のビーム位置修正手段に加える信号を決定する中央処理
   装置を備えたことを特徴とする微小寸法測定装置。 （２）電子ビーム検出器がナイフエッジ電極である請求
   項１に記載の微小寸法測定装置。（３）２つのビームス
   ポットの中心の間隔が最小錯乱円の数倍である請求項１
   または２に記載の微小寸法測定装置。 （４）光軸が同一平面内にある少なくとも一対の電子線
   鏡筒。 これらの電子線鏡筒に隣接して配置された少なくとも２
   つの電子検出器、 これらの電子検出器に接続され、電子検出器からの出力
   を加算する加算手段、 電子ビーム検出器、 上記の電子線鏡筒からの２つのビームスポットの中心を
   通る直線に対し９０度照射試料を回転させる手段、 上記の電子ビーム検出器と上記の電子線鏡筒のビーム位
   置修正手段とに接続され、上記の電子線鏡筒からの２つ
   のビームスポットの中心を通る直線が走査方向に平行に
   、そしてそれらの中心の間隔が所定の間隔となるように
   上記の電子ビーム検出器からの出力から上記の電子線鏡
   筒のビーム位置修正手段に加える信号を決定する中央処
   理装置を備えたことを特徴とする微小寸法測定装置。 （５）電子ビーム検出器がナイフエッジ電極である請求
   項４に記載の微小寸法測定装置。（６）２つのビームス
   ポットの中心の間隔が最小錯乱円の数倍である請求項４
   または５に記載の微小寸法測定装置。