JPH03120738A - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、リソグラフィによってＩＣやＬＳＩの回路を
ウェハー上に焼き付ける時に原版となるマスクの微細パ
ターンの寸法を電子線を用いて精密に測定するための装
置に関するものである。

［従来の技術］ 近年ＬＳＩの集積度は、向上の一途をたどっているが、
ＬＳＩの製造工程においてその原版となるマスクには非
常に厳しい精度が要求される。そのためマスク上に形成
されたパターンの寸法な検査する工程が必要となるが、
集積度の向上にともなってパターンが微細化し、光によ
る計測では測長精度が足りないため電子線による計測が
行われている。この工程で最も重要なことは１つのＬＳ
Ｉの製造に用いられる複数のマスクのパターンが互いに
重ね合わせ可能な寸法になっているかどうかの確認であ
る。このためにはパターンのピッチ寸法が複数のマスク
にわたって同じ基準で測定できる必要がある。従来電子
線を用いた測長機は第７図のように構成されていた。１
は電子銃、２は電子光学鏡筒、２０１．２０２はコンデ
ンサレンズ、２０３は対物レンズ、２０４はアライメン
トコイル、３は超精密ＸＹステージ、４．５は超精密ス
テージ位置を計測するためのミラー、およびレーザ干渉
計であり、Ｘ、Ｙ方向の位置が測定できるように２組設
けられている。６は反射電子および二次電子検出器であ
り、マイクロチャンネルプレートや、ホトマルとシンチ
レータを組み合わせたものが用いられている。８．９は
真空ポンプである。１０．１１は電子銃系のコントロー
ラおよび電源、１２．１３は電子光学鏡筒のコントロー
ラおよび電源である。１４は検出信号のプリアンプ、１
５はレーザー干渉計５とプリアンプ１４からの信号を処
理する信号処理系である。１６はＸ線マスク、１６１．
１６２は重金属の吸収材である。１７はシステムコント
ローラである。

上記構成においてまず電子銃の電源１１、電子光学系の
電源１３をコントローラにより適当な値に設定し、Ｘ線
マスク１６上に細く絞った電子線を照射する。次に図示
しない駆動機構により超精密ステージをＸ方向に動かし
、そのとぎのステージのＸ方向の位置と、その位置にお
ける反射電子または二次電子信号の強度を、位置計測系
４．５と信号検出系６．１４によって同時に計測する。

すると、第８図に示すような位置と信号強度の関係が得
られる。この関係から信号処理系でレベル法、最大値法
、最大傾斜法等により重金属パターン１６１．１６２の
エツジ位置１６１Ｌ、１６１Ｒ１１６２Ｌ、１６２Ｒを
認識し、パターンの中心１６１Ｍ、１６２Ｍを算出しそ
の差としてＸ方向のパターンの間のピッチが測定できる
ようになっている。Ｙ方向についても同様である。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記従来例ではパターン断面の形状寸法
が変化したとき第８図で得られる関係、つまり信号波形
が変化し、エツジ位置認識に誤差を生じ、その結果パタ
ーン間ピッチの測定値に誤差を生ずるという欠点があっ
た。またビーム径やビームの電流密度分布が変化しても
同様に信号波形が変化し、エツジ位置認識に誤差を生し
、その結果パターン間ピッチの測定値に誤差を生ずると
いう欠点があった。

本発明は上記従来技術の欠点に鑑みなされたものであっ
て、ビーム径やビームのエネルギー分布にかかわらず、
パターンエツジを正確に識別可能な寸法測定器の提供を
目的とする。

［課題を解決するための手段及び作用コ第４図を用いて
本発明の詳細な説明する。第４図はＸ線マスクのパター
ンエツジ部の拡大図である。１６１は重金属パターン（
吸収材）、１６５はマスク基板である。いま仮想的にビ
ーム径Ｏのビームが走査される場合を考える。Ａの位置
つまり基板材の領域に照射された電子線の透過電子は基
板材のみにエネルギーを吸収されるが、パターンのエツ
ジＢよりも微少距離Δだけ吸収材側に照射された電子線
の透過電子は吸収材と基板材の両者にエネルギーを吸収
される。ＢからΔの位置における透過電子のエネルギー
分布は第５図の示すようにＡの位置の透過電子のエネル
ギー分布に比べて低エネルギー側にシフトし分布も広が
る。Δよりもさらに吸収材側に照射された電子線の透過
電子のエネルギー分布はさらに低エネルギー側にシフト
し、更に、広い分布になる。ここでエネルギーが第５図
のＥｌで示す値よりも大きい電子だけを通過させ、それ
以外の電子をカットするようなエネルギーフィルタを設
けるとＢからΔより少しでも吸収材側に照射された電子
の透過電子はすべてカットすることができる。ＡからＢ
までは透過率に対応した信号強度が得られ、ＢからΔの
位置では信号強度がゼロになるのでビーム径０の電子線
を走査したときは第６図（ａ）に示すようなパターンエ
ツジで立ち上がる短形波が得られる。

これはパターン断面の寸法形状によらないので、パター
ン形状に関わらすΔの精度でエツジを検出することがで
きる。次に第６図（ｂ）に示すような有限の軸対称の分
布を持つビームを照射した場合を考える。第６図（ｂ）
のＡの位置では基板材の透過率に対応した信号強度が得
られるが、ビームの中心がＢの位置にくると全電子の半
分は基板材側に照射され、残りの半分は吸収材側に照射
される。吸収材の領域に照射される半分の電子はフィル
タによってカットされ、基板材の領域に照射される残り
の半分の電子は基板材の透過率で透過するのでＢの位置
での信号強度はＡの位置での信号強度の１／２になる。

つまり、信号波形の最大値の１／２になる位置がパター
ンのエツジと対応し、ビーム径に関わらすΔの精度でエ
ツジを検出することができると言える。

次に第６図（ｂ）のビームが非対称な電流分布になった
時を考える。このときはビームの重心がエツジ位置Ｂに
きたときに全電流の半分がカットされ残りの半分が基板
材の透過率で透過する。よってビームの重心がエツジ位
置にきたときに信号強度は最大値の１７２になる。ビー
ム重心のビーム中心からのオフセット量をδとするとエ
ツジ認識位置はビーム電流分布が対称な時に比べて一様
にδだけずれるが相対関係は変化しないのでビーム電流
分布にも関わらすΔの精度でエツジを検出することがで
きる。

本発明によれば、上記原理に基き、透過電子のエネルギ
ーを分析する手段と、高いエネルギーの透過電子だけを
検出する手段と、電子線を走査したときの高エネルギー
透過電子の信号量が最大値の１／２になる位置を検出す
る手段と、電子線を走査したときの高エネルギー透過電
子の信号量が最大値の１／２より小さくなる領域を認識
する手段を設けることにより、パターン断面の形状寸法
やビーム径、ビーム電流分布が変化してもエツジ認識位
置が変化せず、その結果パターン間ピッチの測定値も変
化しないようにしたものである。

［実施例］ 第１図は本発明の実施例である。１０１は高圧および制
御電源、引出し電源用コネクタ、１０２は電子銃、２は
加速電極、３０１．３０２はコンデンサレンズ、４は対
物レンズ、５はエネルギー分析器である。６は磁極片、
７は磁場発生用コイル、８はシンチレータ、９はライト
ガイドおよびホトマル、１０はホトマルのドライバ、１
１はプリアンプである。１２は超穿青密ステージ、１３
はステージ位置計測用ミラー　１４はレーザー測長機で
ある。１５はＸ線マスクフレーム、１６はマスク基板、
１７１．１７２．１７３はマスクパターンである。１８
は定盤、１９は防振マウント、２０はベースプレートで
ある。、２１．２２、は真空ポンプ、２４．２５は駆動
電源用コネクタ、２３は検出信号用コネクタである。２
６はナイフェツジである。２７はＡ／Ｄコンバータ、３
０は計測用マイコンである。

上記構成においてコネクタ１０１から負の高電圧および
適当な制御電圧、引出し電圧を供給すると、電子銃１０
２から電子線が発生する。これを加速電極２で加速し、
コンデンサレンズ３０１．３０２、対物レンズ４で集束
して１５．１６．１７１〜１７３よりなるＸ線マスクに
照射する。このときコネクタ２５から６．７で構成され
るセクタ磁場発生器に駆動電流を供給して、Ｘ線マスク
を透過した電子が集束および偏向されるようにしておく
。このセクタ磁場を通過する透過電子はエネルギーによ
って異なった軌道をとるが、第５図に示すＥｌのエネル
ギーを持つ透過電子が点Ｐに集束されるようにセクタ磁
場発生器の電流を設定しておく。例えば加速電圧２００
ＫＶのと籾はＥｌを１９８゜２５ＫｅＶにするとΔはｉ
ｎｎとなる。Ｅｌより高エネルギーの透過電子は点Ｐよ
りも下方に集束され、Ｅｌより低エネルギーの透過電子
は点Ｐよりも上方に集束される。ナイフェツジ２６の端
２６Ｅは紙面に垂直で点Ｐを通るように設置されており
、Ｅｌより小さいエネルギーを持つ透過電子をカットす
るようになっている。

Ｆｌ、１より大きいエネルギーを持つ透過電子はナイフ
エッジ２６を通過し、シンチレータ８に当たって光に変
換され、ライトガイドおよびホトマル９によって電気信
号に変換される。つまり、コネクタ２３からはＥｌより
も高エネルギーの透過電子の量に比例した電気信号が得
られる。

マスクパターン１７２と１７３のＸ方向のピッチ間距離
を計りたいとする。まず図示しないＸ方向のステージ駆
動機構でステージをＸ方向に動かし、その時Ｘ方向のス
テージ位置とコネクタ２３からの高エネルギー透過電子
の信号強度を同時に測定する。ステージ位置はレーザ干
渉計１４．１３で測長される。信号強度および位置のデ
ータはデジタル化され、位置データと信号強度のデータ
が対応するように計測用マイコン３０に格納される。次
にコネクタ２３からの信号強度が最大値の１／２なるデ
ータを検索し、そのデータに対応した位置データを抽出
する。これがパターンのエツジ位置に対応する。この場
合には第３図に示すように４つの位置データが得られ、
その値がＸ座標の順にｘｌ、ｘｌ、×３、ｘ４であった
とする。次に、ｘｌ、ｘｌの間の任意の位置に対応する
信号強度データが最大値の１／２より大きいか小さいか
を判定する。もしこれが最大値の１／２より大きければ
Ｘｌとｘｌの間はパターンのない領域でありＸ２とＸ３
の間がパターンとなる。最大値の１／２より小さければ
ｘｌとｘｌの間がパターンである。この場合はｘｌとｘ
ｌの間では信号強度は最大値の１／２よりも小さくなっ
ている。よってＸｌ、Ｘ２はパターン１７２のエツジ、
ｘ３、ｘ４はパターン１７３のエツジであることがわか
る。ピッチ間距離は（Ｘ１＋Ｘ２）／２−　（Ｘ３＋Ｘ
４）／２となる。一般にＸ座標の順にｘｌ、ｘｌ、・・
・、ＸｎのＮ個の位置データ（これらの位置は上記のご
とく、信号強度が最大値の１７２になる位置である）が
得られたとき、まずｘｌとｘｌの間の任意の位置の信号
強度が最大値の１／２より大きいか小さいかを調べる。

もしこれが最大値の１／２より大きければＸｌとｘｌの
間はパターンのない領域でありＸ２とＸ３の間がパター
ンとなる。最大値の１／２より１ ２ 小さければＸｌとＸ２の間がパターンである。最初のパ
ターンが決まれば、残りは順に２つずつの位置データが
パターンの両端の座標となる。パターンとパターンのピ
ッチ間の距離は各々のパターンの両端の座標の平均値の
差を計算する。Ｙ方向についても同様の手順で計測する
。

第２図は本発明の別の実施例の構成図である。

１０１は高圧および制御電源、引出し電源用コネクタ、
１０２は電子銃、２は加速電極、３０１．３０２はコン
デンサレンズ、４は対物レンズ、５は阻止電圧発生器で
ある。６は減速用電極、８はシンチレータ、９はライト
ガイドおよびホトマル、１０はホトマルのドライバ、１
１はプリアンプである。１２は超精密ステージ、１３は
ステージ位置計測用ミラー、１４はレーザー測長機であ
る。１５はＸ線マスクフレーム、１６はマスク基板、１
７１．１７２．１７３はマスクパターンである。１８は
定盤、１９は防振マウント、２ｏはベースプレートであ
る。２１．２２は、真空ポンプ、２４．２５は駆動電源
用コネクタ、２３は検出信号用コネクタである。２７は
Ａ／Ｄコンバータ、３０は計測用マイコンである。

上記構成においてコネクタ１０１から負の高電圧および
適当な制御電圧、引出し電圧を供給すると、電子銃１０
２から電子線が発生する。これを加速電極２で加速し、
コンデンサレンズ３０１．３０２、対物レンズ４で集束
して１５．１６．１７１〜１７３よりなるＸ線マスクに
照射する。

このときコネクタ２５か６５．６で構成される阻止電圧
発生器に負の高電圧を供給して、第５図に示すＥｌより
も大きいエネルギーを持つ透過電子のみがシンチレータ
８に到達するように阻止電圧発生器の電圧を設定してお
く。例えば加速電圧２００　ＫＶ（７）ときはＥｌを１
９８゜２５ＫｅＶにするとΔはｉｎｎとなる。Ｅｌより
大きいエネルギーを持つ透過電子は阻止電圧発生器を通
過し、シンチレータ８に当たって光に変換され、ライト
ガイドおよびホトマル９によって電気信号に変換される
。つまり、コネクタ２３からはＥｌよりも高エネルギー
の透過電子の量に比例した電気信号が得られる。

マスクパターン１７２と１７３のＸ方向のピッチ間距離
を計りたいとする。まず図示しないＸ方向のステージ駆
動機構でステージをＸ方向に動かし、その時Ｘ方向のス
テージ位置とコネクタ２３からの高エネルギー透過電子
の信号強度を同時に測定する。ステージ位置はレンズ干
渉計１４．１３で測定される。信号強度および位置のデ
ータはデジタル化され、位置データと信号強度のデータ
が対応するように計測用マイコン３０に格納される。次
にコネクタ２３からの信号強度が最大値の１／２になる
データを検索し、そのデータに対応した位置データを抽
出する。これがパターンのエツジ位置に対応する。この
場合には４つの位置データが得られ、その値がＸ座標の
順にｘｌ、×２、ｘ３、Ｘ４であったとする。次に、Ｘ
ｌ、ｘ２の間の任意の位置に対応する信号強度データが
最大値の１／２より大きいか小さいかを判定する。もし
これが最大値の１／２より大きければＸｌと×２の間は
パターンのない領域でありｘ２とｘ３の間がパターンと
なる。最大値の１／２より小さければｘｌとＸｌの間が
パターンである。この場合はＸｌとｘ２の間では一信号
強度は最大値の１／２よりも小さくなっている。よりて
Ｘｌ、ｘ２はパターン１７２のエツジ、ｘ３、Ｘ４はパ
ターン１７３のエツジであることがわかる。ピッチ間距
離は（Ｘ１＋Ｘ２）／２　（Ｘ３＋Ｘ４）／２となる。

一般にＸ座標の順にｘｌ、Ｘｌ、・・・、ＸｎのＮ個の
データ（これらの位置は上記のごとく、信号強度が最大
値の１／２になる位置である）が得られたとき、まずｘ
ｌとＸｌの間の任意の位置の信号強度が最大値の１／２
より大きいか小さいかを調べる。もしこれが最大値の１
７２より大きければｘｌとＸｌの間はパターンのない領
域でありＸｌとｘ３の間がパターンとなる。最大値の１
／２より小さければＸｌとｘ２の間がパターンである。

最初のパターンが決れば、残りは順に２つずつの位置デ
ータがパターンの両端の座標となる。パターンとパター
ンのピッチ間の距離は各々のパターンの両端の座標の平
均値の５ ６ 差を計算してもとめる。Ｘ方向についても同様の手順で
計測する。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明においては、透過電子のエ
ネルギーを分析する手段と、高いエネルギーの透過電子
だけを検出する手段と、電子線を走査したときの高エネ
ルギー透過電子の信号量が最大値の１／２になる位置を
検出する手段と、電子線を走査したときの高エネルギー
透過電子の信号量が最大値の１／２より小さくなる領域
を認識する手段を設けることにより、パターン断面の形
状寸法やビーム径、ビーム電流分布が変化してもエツジ
認識位置が変化せず、複数のマスクのパターンにわたっ
てパターンの断面形状や測定時の電子線のコンデイショ
ンに関わらず、同じ基準でパターンの寸法が測定できる
という効果があり、またビーム径を大きく設定すること
により、信号量を増加させ統計的な電子線の揺らぎに起
因するノイズや、電気的ノイズを低減することができ、
さらに加速電圧を高く設定することにより、電子線の運
動エネルギーを大きくでき、帯電や浮遊磁場などの周囲
の電磁場による入射電子線の照射位置や透過電子の信号
強度の変動を低減することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例の構成図、 第２図は、本発明の別の実施例の構成図、第３図は、パ
ターン走査時の信号強度の説明図、 第４図は、本発明の原理説明図、 第５図は、基板上に吸収材がある場合の透過電子のエネ
ルギー分布説明図、 第６図ＣＢ＞および（ｂ）は、各々ビーム径を０と仮定
した場合および有限軸対称ビームの場合のパターンエツ
ジの判別信号の説明図、第７図は、従来の寸法測定器の
構成図、第８図は、従来の寸法測定器によるパターン検
出信号の説明図である。 ４：レーザ測長機、 ５：Ｘ線マスクフレーム、 ６：マスク基板、 ０１：電子銃、 ７１：マスクパターン、 ７２：マスクパターン、 ７３：マスクパターン、 ６１・吸収材、 ６５；マスク基板。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）測定すべきパターンが形成された試料に電子線を
   照射して走査するための電子照射手段と、前記試料を透
   過した電子線の強度を測定するための透過電子検出手段
   とを具備したことを特徴とする寸法測定装置。
2. （２）前記透過電子検出手段は、所定のエネルギー以上
   の電子のみを検出するためのフィルタ手段を含むことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の寸法測定装置。
3. （３）検出した透過電子の最大強度の１／２の強度とな
   る走査位置を検知し、隣接する２つの前記１／２の強度
   の位置の間の領域における透過電子強度が前記１／２の
   強度より大きいか小さいかを判別する検出信号判別手段
   を具備したことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載
   の寸法測定装置。
4. （４）前記透過電子検出手段は、透過電子を偏向、集束
   させる磁場発生器および所定の偏向量以上の電子を遮断
   する手段を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の寸法測定装置。
5. （５）前記透過電子検出手段は、電子線照射方向に沿っ
   て複数段に設けた負電圧を供給するための電子減速用電
   極からなる阻止電圧発生器を含むことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の寸法測定装置。