JPH09147778A

JPH09147778A - 荷電粒子線装置

Info

Publication number: JPH09147778A
Application number: JP7309401A
Authority: JP
Inventors: Toshishige Kurosaki; 利栄黒崎; Katsuhiko Sakai; 克彦酒井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-11-28
Filing date: 1995-11-28
Publication date: 1997-06-06

Abstract

(57)【要約】【課題】被観察パターンをＸＹ方向以外の方向におい
て観察する際、所望の被観察パターンの画像が、常に観
察視野、つまり、画像表示装置の表示装置の中央にある
ように制御することが可能な荷電粒子線装置を実現す
る。【解決手段】画像位置演算処理装置１５はステージ１
１の傾斜移動に伴うモニター１３上のパターンの位置変
動量△Ｘ、△Ｙを遂次演算し、画像位置補正装置１８は
位置変動量△Ｘ、△Ｙがビーム偏向量の範囲内であれ
ば、偏向回路１９を制御して電子ビーム１の位置補正を
行う。位置変動量△Ｘ、△Ｙがビーム偏向量の範囲外な
ら、ＸＹステージ制御装置２３を制御してＸＹステージ
１の位置補正を行う。以上の動作はステージ１１の傾斜
移動中、繰り返し実行される。これにより、ステージ１
１の傾斜移動終了後もパターンはモニター１３上の所定
領域内に位置しステージ停止後の位置再調整が不要で観
察作業の効率を向上できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、荷電粒子を用いて
試料の観察、分析あるいは試料上に形成されたパターン
の寸法測定を行う装置に係わり、特に、半導体素子の製
造における測定評価工程において用いられる荷電粒子線
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体素子の製造や特性評価、検
査工程においては、荷電粒子線である電子ビームあるい
はイオンビームを用いた装置が使用されているが、例え
ば、電子ビームを被測定物に照射したときに発生する二
次電子を、照射する電子ビームの走査に同期して検出す
ることによって画像を取り込み、微細パターンを観察
し、さらに、取り込まれた画像から所定のパターンの寸
法を測長する走査電子顕微鏡がある。

【０００３】また、イオンビームを用いて、半導体素子
の観察及び加工を行うイオンビーム加工観察装置があ
る。これらの装置は、電子ビーム若しくはイオンビーム
のいわゆる荷電粒子線の発生源と、荷電粒子線光学系
と、この荷電粒子線光学系で得られた画像を処理する画
像処理装置と、ウェハ等の被処理物体をＸＹＺ及び傾
斜、回転など所定の位置に移動、位置決めするための３
軸以上の多軸ステージと、これら荷電粒子線発生源、荷
電粒子線光学系等の動作を制御する制御系とで構成され
る。

【０００４】そして、この荷電粒子線装置において、ウ
ェハ上の被観察パターンをＸＹ平面で観察する際、ステ
ージをＸＹ方向に移動して、位置決めすれば所望のパタ
ーンを観察位置に位置決めし、観察することができる。
一方、この観察パターンを、例えば、傾斜を与えてＸＹ
平面以外の方向で観察する場合、まず、ＸＹ方向で被観
察パターンを位置決めし、所望の被観察パターンをＸＹ
平面において、観察できる状態にしておき、次に、傾斜
方向に移動して、位置決めを行い、傾斜した状態で観察
を行う。

【０００５】

【発明が解決しようとしている課題】上記従来技術にお
いては、被観察パターンを、例えば、傾斜を与えてＸＹ
方向以外の方向で観察する場合には、一度、ＸＹ平面で
位置決めし、ＸＹ平面での二次電子画像によって観察を
行う。そして、次に、傾斜ステージによって、任意の角
度に移動し、位置決めする。

【０００６】ところが、傾斜ステージのの機構部等にガ
タが発生していると、傾斜移動した場合には、この傾斜
移動に従って、被観察パターンが観察視野からずれてい
き、最悪の場合、所望の傾斜角度まで移動した位置で被
観察パターンが観察視野から外れてしまうことになる。
つまり、被観察パターンが観察のための画像表示装置の
表示画面に表示されない状態になってしまう。

【０００７】この現象は、傾斜方向だけでなく、ステー
ジのＺ方向及び回転方向においても、同様に発生するこ
とが考えられる。このため、傾斜等を与えて被観察パタ
ーンを観察する場合、傾斜移動を行ってから、さらに、
ＸＹ方向にステージを移動させて、被観察パターンが観
察視野の中心位置にくるように、補正していた。

【０００８】また、被観察パターンが微小である場合に
は、観察倍率を高い倍率にすることが必要である。この
ため、上記傾斜移動に伴う被観察パターンの位置変動が
微小であっても、モニター上では、非常に大きな移動量
となる。この際、所望のパターンを目視観察により、か
つ、被観察パターンが観察視野の中心位置にくるよう
に、手動によって補正していた。これらの現象が発生す
る中で、所望の観察を行うためには、非常に多くの時間
が必要であり、作業効率の低下の一因となっていた。

【０００９】本発明の目的は、被観察パターンをＸＹ方
向以外の方向において観察する際、所望の被観察パター
ンの画像が、常に観察視野、つまり、画像表示装置の表
示装置の中央にあるように制御することが可能な荷電粒
子線装置を実現することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、次のように構成される。荷電粒子線を発生
する荷電粒子線源と、試料が配置される平面状の台であ
って、荷電粒子線源からの荷電粒子線に直交する平面方
向、荷電粒子線方向、荷電粒子線の傾斜方向及び回転方
向に移動可能なステージと、荷電粒子線を偏向する荷電
粒子線光学系と、試料の画像を検出する画像検出手段
と、検出された画像を表示する画像表示手段と、を有
し、試料の観察、分析及び寸法測定を行う荷電粒子線装
置において、ステージの、荷電粒子線方向、荷電粒子線
の傾斜方向又は回転方向への移動途中に、画像検出手段
により検出される試料の所定の位置と画像表示手段の所
定位置との位置ずれ量を算出する位置ずれ量算出手段
と、位置ずれ量算出手段により算出された位置ずれ量に
基づいて、試料の所定の位置と、画像表示手段の所定位
置とが一致するように、ステージを荷電粒子線に直交す
る平面方向に移動するステージ移動制御手段とを備え
る。

【００１１】好ましくは、上記荷電粒子線装置におい
て、位置ずれ量算出手段は、画像表示手段により観察さ
れる画像から位置ずれ量を算出する画像処理手段であ
る。また、好ましくは、上記荷電粒子線装置において、
ステージの、荷電粒子線方向、荷電粒子線の傾斜方向又
は回転方向への移動途中に、ステージ移動手段によるス
テージの移動に続いて、上記位置ずれ量に基づいて、試
料の所定の位置と、画像表示手段の所定位置とが一致す
るように、荷電粒子線光学系を制御する光学系制御手段
を、さらに備える。

【００１２】また、好ましくは、上記荷電粒子線装置に
おいて、ステージの、荷電粒子線方向、荷電粒子線の傾
斜方向又は回転方向への移動途中に、ステージ移動手段
によるステージの移動に続いて、位置ずれ量に基づい
て、試料の所定の位置と、画像表示手段の所定位置とが
一致するように、画像検出手段を移動させる手段を、さ
らに備える。

【００１３】また、好ましくは、上記荷電粒子線装置に
おいて、ステージの、荷電粒子線方向、荷電粒子線の傾
斜方向又は回転方向への移動途中に、ステージ移動手段
によるステージの移動と共に、位置ずれ量に基づいて、
試料の所定の位置と、画像表示手段の所定位置とが一致
するように、荷電粒子線光学系を制御する光学系制御手
段を、さらに備える。

【００１４】被観察パターンをＸＹ方向、つまり、荷電
粒子線源からの荷電粒子線に直交する平面方向以外の方
向から観察するとき、この試料上のパターンの二次電子
画像が画像表示画面の所定位置からずれて表示される量
を算出する。そして、このずれ量を補正する方向に、Ｘ
Ｙステージを移動させることにより、所望の被観察パタ
ーンの画像が、常に観察視野、つまり、画像表示装置の
表示画面の所定領域内にあるように制御することができ
る。

【００１５】これによって、被観察パターンを傾斜方向
等に移動して観察するときには、画像表示装置上では、
観察すべきパターンが、常に、表示画面の所定領域内に
表示されているので、観察すべきパターンを見失うこと
無く、高効率で観察することが可能となる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。図１は、本発明である荷電粒
子線装置の第１の実施形態の全体構成図である。この第
１の実施形態は、本発明の荷電粒子線装置を走査電子顕
微鏡による試料表面の外観形状を観察評価する装置に適
用した例である。

【００１７】試料の外観を観察評価するための走査電子
顕微鏡は、通常、試料に電子ビームを照射した時に、発
生する二次電子を検出し、試料表面の情報を画像とし
て、とらえることによって、試料表面の状態を観察、評
価する装置である。特に、半導体ウェハ上に形成された
微細なパターン若しくは半導体ウェハ上の微細な異物等
を観察して、分析評価するに非常に有効な装置である。

【００１８】図１において、走査電子顕微鏡は、電子ビ
ーム１を発生する電子銃２と、電子銃２からの電子ビー
ム１を試料（ウェハ）３の表面に収束させるための電子
光学系４と、試料３が配置され、この試料３をＸＹＺ、
傾斜、回転方向の５方向に移動可能な、つまり、荷電粒
子線源からの荷電粒子線に直交する平面方向（ＸＹ方
向）、荷電粒子線方向（Ｚ方向）、荷電粒子線に対する
傾斜方向（荷電粒子線との交差角が９０度未満となる方
向）及び回転方向に移動可能な５軸ステージ５とを備え
ている。２１は高圧電源であり、この高圧電源２１によ
り、電子銃２に高電圧が供給される。また、偏向回路１
９は、後述する走査コイル９を制御して電子ビーム１を
偏向するための回路であり、走査回路２４を電子ビーム
１を試料３上に走査させるための回路である。

【００１９】また、電子ビーム１を試料３の表面の所望
の位置６に照射したときに、発生する二次電子７が二次
電子検出器８によって検出される。電子ビーム１を電子
光学系４内に配置してある走査コイル９によって微小領
域で電子ビーム１を走査させて、この走査領域から発生
する二次電子７を、二次電子検出器８、検出回路２２を
介して、電子ビーム１の走査に同期して、画像として画
像処理装置１０に取り込む。

【００２０】さらに、画像処理装置１０に取り込まれた
画像は、制御系２０を介してモニター１３に表示され
る。これにより、試料３の微小領域の画像を二次元画像
としてオペレータ等により観察することができる。

【００２１】試料３をＸＹＺ、傾斜、回転方向の５方向
に移動、位置決めするには、５軸ステージ５によって行
う。この５軸ステージ５は、ＸＹステージ１２、傾斜ス
テージ１１等（Ｚステージ及び回転ステージの図示は省
略する）を機械的に組み合わせて、構成されている。こ
の傾斜ステージ５の回転中心は、電子ビーム１のフォォ
ーカス点であり、かつ、試料３の観察点６に一致するよ
うに構成されている。

【００２２】傾斜ステージ１１は、機械的に組み合わさ
れて製作されているため、この回転中心の位置が、製作
精度の限界等により、微小に誤差を有するものとなって
いる。観察すべき試料３である半導体ウェハを傾斜ステ
ージ１１により傾斜させ、所望の微小領域の観察を行う
際、傾斜ステージ１１の回転中心が、製作誤差等によ
り、回転移動に伴って変動する場合を考える。この場合
には、図２に示すように、本来あるべきモニター１３上
の中心から傾斜角度に従って、二次元的に位置変動を起
こすことになる。

【００２３】この位置誤差△Ｘ、△Ｙは傾斜ステージ１
１を移動するに従い発生する。この位置誤差△Ｘ、△Ｙ
は、特に、試料３の微小領域を高倍率で観察していると
きに、悪影響を及ぼす。つまり、モニター１３上で観察
している画像が、試料３の傾斜とともに移動して、モニ
ター１３が表示する領域外にまで移動する可能性があ
る。

【００２４】そこで、本発明においては、二次電子検出
回路２２から得られる信号を、画像処理装置１０により
モニター１３上に表示可能な画像信号とした後に、画像
位置演算処理装置１５により、画像処理が行われる。こ
の画像位置演算所為装置１５においては、図３の動作フ
ローチャートに示す演算手順により位置変動量の演算が
行われる。

【００２５】図３のステップ１００において、観察すべ
き所望のパターン１４−ａ（図２に示す）を傾斜の無い
状態で位置決めし、モニター１３上で観察すべき領域が
オペレータにより登録される。これにより、位置決めさ
れた所望のパターン１４−ａは、モニター１３の中央に
位置している。

【００２６】次に、ステップ１０１において、傾斜ステ
ージ１１の移動が開始される。このステージ１１の移動
は、制御系２０からの指令により傾斜移動機構制御装置
１７が実行する。そして、ステップ１０２において、画
像処理装置１０は、モニター１３上に表示可能な画像と
なるように、画像処理を行う。

【００２７】次に、ステップ１０３において、画像位置
演算処理装置１５は、ステージの傾斜移動に伴って発生
するモニター１３画面中央に対するパターンの位置変動
量△Ｘ、△Ｙを遂次演算する。

【００２８】続いて、ステップ１０４において、画像位
置補正装置１８は、画像位置演算処置装置１５により演
算された位置変動量△Ｘ、△Ｙが、ビーム偏向量の範囲
内か否かを判断する。ビーム偏向量の範囲内であれば、
ステップ１０５に進み、画像位置補正装置１８は、位置
変動量△Ｘ、△Ｙがゼロに近い値、例えば、±１ミクロ
ン内となるように、偏向回路１９を制御して、電子ビー
ム１の位置補正を行う。そして、処置はステップ１０７
に進む。なお、位置変動量△Ｘ、△Ｙがゼロとなるよう
に、偏向回路１９を制御することも考えられるが、外部
振動等に過剰に応答してしまう恐れがある。これを回避
するため、位置変動量がゼロに近い値の範囲内となるよ
うに、制御している。

【００２９】また、ステップ１０４において、位置変動
量△Ｘ、△Ｙが、ビーム偏向量の範囲外であれば、ステ
ップ１０６に進み、画像位置補正装置１８は、位置変動
量△Ｘ、△Ｙが減少するように、ＸＹステージ制御装置
２３を制御してＸＹステージ１の位置補正を行う。そし
て、処理はステップ１０７に進む。

【００３０】ステップ１０７において、画像位置補正装
置１８は、パターンが許容範囲内にあるか否か、つま
り、図２の観察すべき領域１６内（Ｘ方向の寸法ＸL、
Ｙ方向の寸法ＹL）にあるか否かを判断する。そしてパ
ターンが領域内になければ、ステップ１０２に戻る。

【００３１】また、ステップ１０７において、パターン
が領域内にあれば、ステップ１０８に進み、制御系２０
はステージ１１の傾斜移動が終了したか否かを判断す
る。この傾斜移動が終了していなければ、ステップ１０
２に戻り、終了していれば、動作終了となる。

【００３２】以上のように、本発明の第１の実施形態に
よれば、ステージ１１の傾斜移動中に、モニター１３
（表示画面）上に表示された観察すべきパターンが、こ
のモニター１３の所定位置からの変動量を算出し、この
変動量が所定範囲内（例えば、基準点から±１ミクロン
以内）となるように、ステージ１１又は電子ビーム１を
制御する。

【００３３】したがって、被観察パターンをＸＹ方向以
外の方向において観察する際、所望の被観察パターンの
画像が、常に観察視野、つまり、画像表示装置の表示装
置の中央にあるように制御することが可能な荷電粒子線
装置を実現することができる。これにより、ステージ１
１の傾斜等の移動終了後も、パターンは、モニター１３
上の所定領域内に、確実に位置することが可能で、ステ
ージ停止後の位置再調整が不要となり、観察作業の効率
を向上することができる。

【００３４】図４は、本発明の第２の実施形態における
動作フローチャートである。この第２の実施形態の全体
構成は、上述した第１の実施形態と同様となるので、図
示は省略する。この図３の動作フローチャートと図３に
示した動作フローチャートとの相違点は、ステップ１０
４とステップ１０５との間にステップ１０６Ａを加入し
た点である。

【００３５】つまり、ステップ１０４において、パター
ンの変動量がビーム偏向量の範囲内である場合には、ス
テップ１０６Ａに進み、画像位置補正装置１８により、
変動量△Ｘ、△Ｙに従って、ＸＹステージ１１のＸＹ方
向の補正が開始される。続いて、ステップ１０５におい
て、画像位置補正装置１８により、電子ビーム１の偏向
による位置補正が実行される。

【００３６】したがって、変動量がビーム偏向量の範囲
内である場合には、ＸＹステージ１１による補正及び電
子ビーム１による補正の両方の補正が実行され、より迅
速にパターンを許容範囲内に移動補正可能となる。

【００３７】以上のように、本発明の第２の実施形態に
よれば、第１の実施形態と同様な効果を得ることができ
る他、上述のように、より迅速にパターンを許容範囲内
に移動補正可能となる。

【００３８】なお、上述した例は、ステージの傾斜方向
への移動時に発生する観察すべきパターンの位置変動を
補正する例であるが、傾斜方向の他に、Ｚ方向、又は回
転方向への移動時に発生するパターンの位置変動を補正
することも、上述と同様にして可能である。

【００３９】また、上述した例は、電子線ビームを用い
た走査電子顕微鏡における例であるが、本発明は、イオ
ンビームを用いた観察や、加工装置であるイオンビーム
加工観察装置においても、同様に適用可能である。

【００４０】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているため、次のような効果がある。被観察パターンを
ＸＹ方向以外の方向において観察する際、所望の被観察
パターンの画像が、常に観察視野、つまり、画像表示装
置の表示装置の中央にあるように制御することが可能な
荷電粒子線装置を実現することができる。

【００４１】したがって、観察すべきパターン若しくは
異物等の微小な被検査試料をＸＹ方向以外、つまり、傾
斜方向、Ｚ方向、回転方向の各方向に位置決めして、観
察する際、移動中又は移動終了後、所望の観察すべき被
検査試料を確実にモニター画面上に表示可能とできる。
これにより、モニター画面上において、観察すべきパタ
ーンがモニター画面の範囲外へ移動してステージの傾斜
移動等が終了した時点で、観察すべきパターンを見失
い、再度パターンを探し出すという事態を回避すること
ができ、作業能率を向上することができる。また、ステ
ージの移動中及び移動終了後に、パターンがモニター画
面上に確実に表示されているので、次に行う観察評価の
操作を迅速に実行することが可能となり、さらに、作業
効率が向上可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の全体構成図である。

【図２】本発明の制御対象であるモニター画面上での被
検査パターンにの位置変動の説明図である。

【図３】本発明の第１の実施形態の動作フローチャート
である。

【図４】本発明の第２の実施形態の動作フローチャート
である。

【符号の説明】

１電子ビーム２電子銃３試料４電子光学系５５軸ステージ６試料表面観察点７二次電子８二次電子検出器９走査コイル１０画像処理装置１１傾斜ステージ１２ＸＹステージ１３モニター１５画像位置演算処理装置１６観察領域１７傾斜移動機構制御装置１８画像位置補正装置１９偏向回路２０制御系２１高圧電源２２検出回路２３ＸＹステージ制御装置２４走査回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】荷電粒子線を発生する荷電粒子線源と、
試料が配置される平面状の台であって、荷電粒子線源か
らの荷電粒子線に直交する平面方向、荷電粒子線方向、
荷電粒子線に対する傾斜方向及び回転方向に移動可能な
ステージと、上記荷電粒子線を偏向する荷電粒子線光学
系と、上記試料の画像を検出する画像検出手段と、検出
された画像を表示する画像表示手段と、を有し、上記試
料の観察、分析及び寸法測定を行う荷電粒子線装置にお
いて、上記ステージの、上記荷電粒子線方向、荷電粒子線の傾
斜方向又は回転方向への移動途中に、画像検出手段によ
り検出される試料の所定の位置と画像表示手段の所定位
置との位置ずれ量を算出する位置ずれ量算出手段と、位置ずれ量算出手段により算出された位置ずれ量に基づ
いて、上記試料の所定の位置と、画像表示手段の所定位
置とが一致するように、上記ステージを荷電粒子線に直
交する平面方向に移動するステージ移動制御手段と、を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２】請求項１記載の荷電粒子線装置におい
て、上記位置ずれ量算出手段は、画像表示手段により観
察される画像から位置ずれ量を算出する画像処理手段で
あることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項３】請求項１又は２記載の荷電粒子線装置に
おいて、上記ステージの、上記荷電粒子線方向、荷電粒
子線の傾斜方向又は回転方向への移動途中に、ステージ
移動手段によるステージの移動に続いて、上記位置ずれ
量に基づいて、上記試料の所定の位置と、画像表示手段
の所定位置とが一致するように、上記荷電粒子線光学系
を制御する光学系制御手段を、さらに備えることを特徴
とする荷電粒子線装置。
【請求項４】請求項１記載の荷電粒子線装置におい
て、上記ステージの、上記荷電粒子線方向、荷電粒子線
の傾斜方向又は回転方向への移動途中に、ステージ移動
手段によるステージの移動に続いて、上記位置ずれ量に
基づいて、上記試料の所定の位置と、画像表示手段の所
定位置とが一致するように、上記画像検出手段を移動さ
せる手段を、さらに備えることを特徴とする荷電粒子線
装置。
【請求項５】請求項１記載の荷電粒子線装置におい
て、上記ステージの、上記荷電粒子線方向、荷電粒子線
の傾斜方向又は回転方向への移動途中に、ステージ移動
手段によるステージの移動と共に、上記位置ずれ量に基
づいて、上記試料の所定の位置と、画像表示手段の所定
位置とが一致するように、上記荷電粒子線光学系を制御
する光学系制御手段を、さらに備えることを特徴とする
荷電粒子線装置。