JPH04269613A - 荷電ビームの焦点合わせ方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、荷電ビームを用いた測
長・検査装置に関し、特に、超大規模半導体集積回路装
置（ＶＬＳＩ）等の半導体、絶縁物等のパターンに荷電
ビームを照射し、反射電子または二次電子を検出してパ
ターン幅を測定する荷電ビーム自動パターン測長・検査
装置において、電子光学系の焦点合わせの設定精度を効
率的に高めることができる方法に関するものである。

【０００２】この方法およびこの方法を用いた装置は、
パターン幅測定以外にも、一般の走査型電子顕微鏡（Ｓ
ＥＭ）、荷電ビームを用いた各種加工・観察・検査装置
において自動焦点合わせに用いることができる。

【０００３】

【従来の技術】ＬＳＩ，ＶＬＳＩ等のパターン寸法の微
細化に伴って、荷電ビームを用いた寸法測長装置が用い
られる。この種の装置では、測定パターンがビーム直下
に位置するようにステージを移動し、対物レンズの初期
設定、微調整による焦点合わせを行い、荷電ビームを走
査して測定パターンに垂直な方向の二次電子信号波形を
得て被測定パターンの寸法を測定している。

【０００４】二次電子信号波形から寸法を測定する各種
方法としては、二次電子信号に適当なスライスレベルを
設定して２値化し、その立ち上がりと立ち下がりの間隔
からパターン寸法を測定する方法が広く用いられている
。また、エッジ・ベースラインそれぞれを直線で近似し
、交点の間隔からパターン寸法を測定する寸法測定装置
（特開昭６１−８００１１「寸法測定装置」参照）が提
案されている。

【０００５】このようなパターン寸法を測定するための
一連の動作において、焦点合わせの精度は寸法測定精度
に密接な関係がある。すなわち、焦点がずれると二次電
子信号波形の傾きが緩くなるように変化するため、スラ
イスレベルを設定する場合、直線で近似する場合、いず
れの場合にも測定誤差が生じる。図３は焦点ずれによる
測定値の変化を示した一例である。同じパターンを同一
スライスレベルで測定したパターン幅と、焦点距離のず
れ量との関係を示しているが、焦点がずれるにつれて波
形の傾きが緩やかになり、寸法は細かく測定されている
。このように焦点のずれは、測定値に誤差を生じるため
、その設定精度を高めることが必要である。

【０００６】一般に、焦点処理は、ステージの傾きやウ
ェハの反りによって変化する。また、同じ電流値を対物
レンズに加えても、ビームの加速電圧が変わると、焦点
距離が変化する。従って、測定点の変更（ステージの移
動）、加速電圧の変更後には焦点合わせが必要となる。 荷電ビームを用いた走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や露光
装置における自動焦点合わせの方法としては、焦点距離
をステップ的に変化させ、二次電子信号の傾きが最も急
峻になるように最小２乗法により焦点距離を決定する方
法（特開昭６０−５４１５２「電子線装置における自動
焦点調節法」参照）等が用いられている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記従来の自
動焦点合わせ方法では、焦点距離を変化させるステップ
が粗いと、焦点合わせ精度が低下する。また、このステ
ップが細かいと、焦点合わせに時間がかかるという問題
があった。また、焦点合わせに時間がかかると、単にス
ループットが低下するだけでなく、その後の測長時にチ
ャージアップの影響で測定結果がずれるという問題があ
った。このため、短時間で焦点合わせを行うことは必須
である。

【０００８】本発明は、前記問題点を解決するためにな
されたものであり、本発明の目的は、焦点ずれによる取
り込み二次電子信号波形の変化を防止することが可能な
技術を提供することにある。

【０００９】本発明の他の目的は、チャージアップの影
響による寸法測定精度の低下を防止することが可能な技
術を提供することにある。

【００１０】本発明の他の目的は、焦点合わせを短時間
で精度良く行うこと可能な技術を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記問題点を解決するた
めに、本発明においては、荷電ビームを用いた検査・測
長装置において、測定点における対物レンズの焦点距離
を記憶し、この焦点距離から次回測定する位置における
対物レンズの焦点距離を算出し、その算出した焦点距離
の近傍を微小に変化させて焦点合わせを行うことを最も
主要な特徴とする。

【００１２】また、前記焦点合わせ距離の算出による対
物レンズの設定値が、加速電圧の変更に伴う設定値と、
ステージ位置による高さ補正項（ステージの傾き、歪み
の補正項等）と、ウェハの反りを補正する項の和により
設定されることを特徴とする。

【００１３】

【作用】前述の手段によれば、焦点合わせを短時間で精
度良く行うために、■ウェハアライメント、あるいはそ
れまでの測定点での焦点距離を用いて、これから測定す
る位置での焦点距離を算出し、その算出した焦点距離の
近傍を微小に焦点距離を変化させて焦点合わせを行うの
で、焦点合わせの時間を短縮することができる。■焦点
距離の変化量を小さくするので、焦点合わせの精度を向
上することができる。■焦点合わせのために被測定パタ
ーンに照射するビームが減少するので、チャージアップ
による測定誤差、ビーム照射によるパターンへのダメー
ジの発生を抑えることができる。以上の■、■、■によ
り、高精度なパターン寸法測定が短時間に可能である。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に
説明する。

【００１５】図１は本発明をウェハ検査・測長装置に適
用した一実施例の荷電ビームの焦点合わせ方法の過程手
順を示すフローチャートである。

【００１６】なお、本実施例では、実施装置は既存の荷
電ビームを用いた検査・測長装置を使用する。

【００１７】本実施例の荷電ビームの焦点合わせ方法は
、図１に示すように、次の過程手順で行われる。

【００１８】（１０１）ウェハアライメント位置（２点
以上）で、焦点合わせを行い、この時の焦点距離と、ウ
ェハアライメント位置の座標を記憶する。以後の各測定
位置での座標および焦点距離も記憶する。

【００１９】ウェハアライメントの時点では、ウェハの
反り等の情報は未知であるので、焦点合わせのための焦
点距離の変化量は大きくとる必要がある。

【００２０】（１０２）測定位置へステージを移動する
とともに照射条件の設定（前の測定点あるいはウェハア
ライメントでの照射条件と同一条件であれば不要）を行
う。この時、焦点距離の初期設定にあたる対物レンズの
設定値は、記憶した座標（Ｘｉ，Ｙｉ）（ｉ＝１，２，
…）とそこでの焦点距離（または対物レンズの設定値）
ｏＩｉを用いて算出する（後で説明する）。

【００２１】（１０３）焦点距離の微調整を行う。この
段階では、前記ステップ（１０２）で概略の焦点距離が
設定されているので、焦点距離の変化量は小さくとるこ
とができる。

【００２２】通常の焦点合わせは、この微調部分のこと
を言っており、従来技術に述べたように、焦点距離をス
テップ状に変化させ、ビームを走査しながら被測定パタ
ーンに照射して二次電子信号を取り込み、その傾きが最
も急峻になるように焦点距離を決める方法等が用いられ
ている。この焦点合わせは、ウェハの反りがウェハごと
に変わるステージに乗せた時のウェハの傾きが異なる等
のため、ウェハごとに実行する必要がある。しかし、微
調部分を精度良く行うためには、Ｓ／Ｎをよくするため
に繰り返し回数を増やす、あるいは焦点距離の刻みを細
かくする等が必要であり、時間がかかる。しかし、本実
施例の方法のように焦点距離をあらかじめ算出して設定
すれば、この焦点距離の変更範囲を狭くできるので、短
時間に精度よく焦点合わせを行うことができる。

【００２３】なお、焦点距離の設定値（または対物レン
ズの設定値）に影響を及ぼす要因としては、■加速電圧
、■ステージの傾き、■ウェハの反り、■ステージへの
ウェハロードによるウェハの傾きがある。この内、■、
■はウェハに関係しないものであり、以下のように算出
して設定できる。

【００２４】まず、加速電圧変化に伴う対物レンズの設
定について説明する。加速電圧の変更がある場合のビー
ムの自動制御については、特願昭６２−３２４２３の「
荷電ビームの自動制御装置」に記載されているように、
基準となるいくつかの条件での鏡筒制御パラメータの値
をテーブル化しておき、その間の照射条件でのパラメー
タは、このテーブルの値と、パラメータごとに定めた関
数形を用いて算出し、設定する方法を用いればよい。

【００２５】対物レンズに電磁レンズを用いている場合
、加える電流値が同じならば焦点距離はビームの加速電
圧（Ｖ）の平方根にほぼ反比例して変化する。従って、
測定の加速電圧を変更した場合には加速電圧の平方根に
ほぼ比例して対物レンズに加える電流値を変化する必要
がある。より精度を高めるためには、対物レンズに加え
る電流値（ｏＩｈｖ）を加速電圧の平方根の多項式（通
常は一次式）で近似する方が高精度の設定が可能である
。この項は、加速電圧の変更に伴う対物レンズの電流の
ずれを補正するものである。

【００２６】

【数１】

【００２７】ここで、ｐ，ｑは、ある基準の加速電圧Ｖ
１，Ｖ２での対物レンズ電流ｏＩ１，ｏＩ２から決まる
定数、

【００２８】

【数２】

【００２９】対物レンズに静電レンズ（電圧印加）を用
いている場合には、対物レンズに加える電圧を加速電圧
の多項式で近似して補正することが可能である。

【００３０】ｏＩｈｖ　＝ｐＶ＋ｑここで、ｐ，ｑは、
ある基準の加速電圧Ｖ１，Ｖ２での対物レンズ電流ｏＩ
１，ｏＩ２から決まる定数、 　　　　　　ｐ＝（ｏＩ１−ｏＩ２）／（Ｖ１−Ｖ２）
，ｑ＝ｏＩ１−ｐＶ１ 　　次に、位置の移動によっても焦点距離が変化し、補
正が必要である。このうちステージの傾きは、装置に固
有のものである。ステージの傾きによる成分は、あらか
じめわかるので補正が可能である。ステージのある位置
を基準として、ステージを一辺の長さＷの格子状に区切
った格子点（Ｘｉ，Ｙｊ）での焦点距離のずれをΔｉｊ
としてテーブル化しておく。格子点（Ｘｉ，Ｙｊ）と格
子点（Ｘｉ＋１，Ｙｊ＋１）の間の点（Ｘ，Ｙ）での対
物レンズ電流の補正量ｏＩｓｔｇは、 　　　　ｏＩｓｔｇ　＝ａ｛（Δｉ＋１ｊ−Δｉｊ）（
Ｘ−Ｘｉ）　　　　　　　　　　　　　　　　＋（Δｉ
ｊ＋１−Δｉｊ）（Ｙ−Ｙｊ）｝／Ｗで与えることがで
きる。ここでａは焦点距離を１μｍ変化させるのに必要
な対物レンズ電流から決まる比例定数であり、加速電圧
Ｖの関数であるが、ずれ量が小さいのでこの関数形は、
加速電圧の平方根に比例して与えることができる（対物
レンズに静電レンズを用いている場合には加速電圧に比
例）。

【００３１】なお、ここでは、格子点に区切って、各格
子点ごとにステージの傾き（による焦点距離のずれ量）
をテーブル化して算出設定しているが、このステージの
傾きを座標の関数として予め求めておいて算出してもよ
い。

【００３２】ウェハの反り、ステージへのウェハロード
によるウェハの傾きの成分は、以下に述べる算出方法で
初期設定した後に、微調整を行うことにより合わせる必
要がある。ここで、ウェハの反り、ステージへのウェハ
ロードによるウェハの傾きの成分は、加速電圧による変
化分とステージの傾きの分を引いた値である。この値ｏ
Ｉｗｆ（Ｘ，Ｙ）は、例えば以下の方法で算出すればよ
い。

【００３３】まず、ウェハアライメント、あるいは最初
の数点の測定点（Ｘｉ，Ｙｉ）（ｉ＝１，２…）とそこ
での焦点距離（または対物レンズの設定値）ｏＩｉから
、最小２乗法により、焦点距離（または対物レンズの設
定値）ｏＩの近似式を求める。この近似式は、通常はＸ
，Ｙの２次式で近似すればよい。

【００３４】 　　　　　　ｏＩｗｆ　＝ｐｘ２＋ｑｙ２＋ｒｘｙ＋ｓ
ｘ＋ｔｙ＋ｕ以上の係数を決めた後、測定点（焦点合わ
せ位置）の座標を代入して算出すればよい。

【００３５】図２は前記焦点距離（または対物レンズの
設定値）ｏＩの近似式ｏＩｗｆ　の別の求め方を説明す
るための図である。２次元の座標を１次元的に扱うもの
である。Ｘ軸はウェハ１内に示す直線２であり、Ｙ軸は
焦点距離である。通常測定位置は、ウェハ１内の格子点
上に選ぶことが多い。この様な場合には、測定点を通る
直線３の上の座標での焦点距離を考慮すればよい。図２
で、●印は、この直線３上の点での焦点距離（または対
物レンズの設定値）を示している。これらから被測定位
置（×印）での焦点距離は、最小２乗法により算出でき
る。この方法は、必ずしも直線上の測定点だけでなく曲
線であってもよい。例えば、同心円状に分布した測定点
での焦点距離を求める場合にも適用できる。

【００３６】以上より、対物レンズの設定値ｏＩは、ｏ
Ｉ＝ｏＩｈｖ　＋ｏＩｓｔ　＋ｏＩｗｆ　で与えること
ができ、その後微調を行うことにより焦点合わせを行う
ことができる。この方法は、対物レンズの設定値に加速
電圧とステージの傾き、ウェハの反り、ステージへのウ
ェハロードによるウェハの傾きの影響を考慮しているの
で、微調段階での対物レンズの変化量を小さくすること
ができ、設定精度を高くできる。

【００３７】なお、ステージの傾きは特に考慮せずに、
ステージの傾き、ウェハの反り、ステージへのウェハロ
ードによるウェハの傾きまで含めた値を対象レンズの設
定値として１つの値で記憶してもよい。これは、焦点合
わせ、測定が全て同一照射条件で実行される場合には、
ｏＩｈｖ　は同じ値であるので、前記１つの値から対物
レンズの設定値を算出できるので簡便である。

【００３８】なお、焦点合わせの精度は、パターンにも
依存し、エッジの数が多いパターンの方が焦点合わせ精
度がよい。このため、孤立パターンのようにエッジが少
ない測定パターンの場合には、設計情報をもとに、測定
パターンの近傍で、密なパターンを焦点合わせ位置とし
て選び、測定する位置とは異なる位置で焦点合わせを行
うと、焦点合わせの設定精度を高くでき、その結果パタ
ーン測定も高精度で行うことができる。また、焦点合わ
せによる照射なしに被測定パターンの測定を行うことが
できるので、測定時にチャージアップの影響が除去でき
る効果がある。

【００３９】以上、本発明を実施例に基づき具体的に説
明したが、本発明は、前記実施例に限定されることなく
、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更し得るこ
とはいうまでもない。

【００４０】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれば
、算出した焦点距離の近傍だけを変えて焦点合わせを行
うので、焦点合わせの時間を短縮することができる。 また、焦点距離の変化量を小さくできるので、焦点合わ
せの精度を向上するすることができる。また、焦点合わ
せのために被測定パターンに照射するビームが減少する
ので、チャージアップによる測定誤差の低減、ビーム照
射によるパターンへのダメージの発生を抑制することが
できる。これらにより、高精度なパターン寸法測定を短
時間で行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明をウェハの検査・測長装置に適用した一
実施例の荷電ビームの焦点合わせ方法の過程手順を示す
フローチャート。

【図２】本実施例の焦点距離の算出方法の一例を説明す
るための図。

【図３】焦点合わせ精度が測定値に及ぼす影響を説明す
るための図。

【符号の説明】

１　　ウェハ ２　　Ｘ軸となる直線 ３　　最小２乗法で近似した曲線

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　荷電ビームを用いた検査・測長装置に
   おいて、測定点における対物レンズの焦点距離を記憶し
   、この焦点距離から次回測定する位置における対物レン
   ズの焦点距離を算出し、その算出した焦点距離の近傍を
   微小に変化させて焦点合わせを行うことを特徴とする荷
   電ビームの焦点合わせ方法。
2. 【請求項２】　　前記請求項１の荷電ビームの焦点合わ
   せ方法において、焦点合わせ距離の算出による対物レン
   ズの設定値が、加速電圧変更に伴う設定値と、ステージ
   位置による高さ補正項と、ウェハの反りを補正する項の
   和により設定されることを特徴とする荷電ビームの焦点
   合わせ方法。