JPH09180667A

JPH09180667A - 荷電粒子線装置

Info

Publication number: JPH09180667A
Application number: JP7339386A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Sakai; 克彦酒井; Toshishige Kurosaki; 利栄黒崎
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-12-26
Filing date: 1995-12-26
Publication date: 1997-07-11
Anticipated expiration: 2015-12-26
Also published as: JP3497034B2

Abstract

(57)【要約】【課題】走査方向に依存した試料帯電の悪影響を低減
し、試料本来が持つ形状を忠実に表示し得るようにす
る。【解決手段】試料の対称性に応じて走査パターンを選択
し、さらに複数の走査パターンによる像に重ね合わせや
平均化等の画像処理を施して試料像を形成する。左右対
称のパターンを有する試料に対しては、横（Ｘ）方向を
主方向、縦（Ｙ）方向を副方向とし、主方向の走査を右
方向とするラスタ走査４１と左方向とするラスタ走査４
２を組み合わせる。試料のパターンが回転対称の場合
は、観察領域中心から周辺部へ広がって行く螺旋状パタ
ーンあるいは観察領域周辺から中心に向かって収束する
螺旋状パターンを用いたり、これらの螺旋状パターンを
組み合わせて用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走査形電子顕微
鏡、電子線描画装置、ＦＩＢ（focused ion beam）装置
等の荷電粒子線装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】荷電粒子線装置は、試料に電子線やイオ
ンビーム等の荷電粒子を照射して、試料の観察や加工を
行う装置である。例えば、走査形電子顕微鏡では、試料
に電子線を照射して試料から発生される二次電子を検出
することで試料像を形成する。また、電子線描画装置や
ＦＩＢ装置は、試料に電子線やイオンビームを照射して
パターン形成や加工を行うものであるが、電子線やイオ
ンビームの照射時に試料から発生される二次電子を検出
して試料像を形成することもできる。

【０００３】荷電粒子線の走査は通常、矩形の観察領域
左上隅から開始され、直交するＸＹ座標系のもとでＸ方
向に沿って観察領域左端から右端まで走査し、このＸ方
向の走査をＹ方向に一走査線分ずつずらしながら反復す
るラスタ走査が採用される。試料像は、荷電粒子線の照
射によって試料から発生される２次電子信号を輝度信号
として、荷電粒子線の走査パターンに従ってＣＲＴ等の
表示装置に表示される。

【０００４】画像を見やすくするために、画像信号を一
度画像メモリに蓄積しておき、その蓄積した信号を表示
装置に表示することが行われている。また、画像のＳ／
Ｎを向上させる方法として、同一観察領域を複数回走査
し、それぞれの走査で得られた画像信号に対して重ね合
わせ（SUMMING）や平均化（AVERAGING）等の画像処理を
行ってから表示する方法や、荷電粒子線の走査速度を低
下させて試料に照射する荷電粒子線の照射密度を増大さ
せることで、二次電子信号の強度及びＳ／Ｎを向上させ
る方法がある。

【０００５】こうして形成した試料像を観察し、試料の
微小部分の構造を解析・確認したり、また試料像から微
小部分の寸法を割り出して寸法管理等が行われる。特に
半導体デバイスの製造工程では、走査形電子顕微鏡を用
いた寸法管理が日常的に行われている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】荷電粒子線装置による
像形成は試料から発生した二次電子によって行われるた
め、像形成の過程で試料と装置の間に電荷のやりとりが
生じる。例えば、一つの一次電子が試料に照射されると
試料に負の電荷が一つ生じ、その時に二次電子が一つ発
生すると、試料には正の電荷が一つ生じて、試料の電荷
は差し引き０となる。

【０００７】一次電子が照射されたときに試料から発生
される二次電子の数、すなわち二次電子の発生効率は試
料の材質によって異なり、試料の表面状態、一次電子の
エネルギー、一次電子の照射角度等によっても異なる。
一つの一次電子が照射されて二次電子が２個以上発生す
ると、試料は正に帯電する。試料が導電性の材料で、そ
の観察部分が接地されている場合には試料が帯電するこ
とはないが、試料が絶縁性の材料でできていたり、導電
性であっても電気的に浮いていたりすると、試料の観察
部分は帯電した状態となる。この帯電現象によって二次
電子の発生の仕方が変化し、像形成に影響が生ずる。す
なわち、帯電がある場合と無い場合とでは像が異なって
見えるという現象が生じ、それは画像の濃淡やコントラ
ストの相違として現れる。

【０００８】画像の濃淡やコントラストは、同じ試料を
観察しても、試料が帯電している状態と、帯電していな
い状態とでは明らかに相違する。しかし、このような変
化は表示装置の一画面の中でも生ずる。つまり、ビーム
の当たりはじめ（試料帯電がない）と、ある程度試料に
ビームが照射された後（試料が帯電している）では二次
電子の検出効率が変化し、像の見え方が異なってしまう
という現象が生ずる。

【０００９】さらにこの現象は、Ｘ方向の一本の走査線
内でも発生し得る。すなわち、従来の走査方法では、Ｘ
方向の走査線内で左側の部分は、右側の部分よりも帯電
の影響が少ないということがいえる。これによって、観
察領域の左側は帯電の影響を比較的受けず、観察領域の
右側は帯電の影響を受けやすい。半導体製造プロセスに
おいて、半導体ウェーハ上の現像済みレジスト膜のコン
タクトホールの像のように、起伏のある絶縁物を走査形
電子顕微鏡で観測すると、ホールの右側は明るさが低下
していることが多い。これは、レジスト膜の帯電による
影響と解釈される。

【００１０】例えば左右対称のパターン形状を有する試
料を観察したとき、このような帯電によって対称性がく
ずれた像が形成されては都合が悪い。特に、観測した像
に基づいて寸法を測定しようとする場合、左右で異なっ
た測長値となる恐れがあり、観測した像をもとに寸法を
管理することができなくなってしまう。また、コンタク
トホールの真円度の計測等においては、試料の向きによ
って計測値が異なってしまうことも考えられる。

【００１１】本発明の目的は、試料が帯電しても、像形
成に与える影響が低減された荷電粒子線装置を提供する
ことである。本発明の他の目的は、試料が帯電しても、
観察領域内の位置によって帯電の影響が異なることを低
減した荷電粒子線装置を提供することである。本発明の
さらなる目的は、試料が帯電しても、測長値の誤差を最
小限に抑制することのできる荷電粒子線装置を提供する
ことである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】試料の帯電の影響は、荷
電粒子線の走査のパターンや走査の方向によって左右さ
れる。そこで、本発明では荷電粒子線の走査パターンを
複数設定できるようにし、試料の対称性に応じて走査パ
ターンを選択し、さらに複数の走査パターンによる像を
合成して試料像を形成することで、試料の対称性が損な
われない像を得る。

【００１３】すなわち、本発明は、荷電粒子線を試料上
で走査し、試料から発生する二次電子信号を検出して試
料像を形成することのできる荷電粒子線装置において、
荷電粒子線の走査パターンを複数設定できることを特徴
とする。また、本発明は、荷電粒子線を試料上で走査
し、試料から発生する二次電子信号を検出して試料像を
形成することのできる荷電粒子線装置において、荷電粒
子線の走査パターンとして異なる走査パターンを複数選
択する手段と、選択された走査パターンのもとで得られ
た複数の試料像に重ね合わせ又は平均化等の処理を施し
て表示像を発生する画像処理手段とを備えることを特徴
とする。

【００１４】また、本発明は、荷電粒子線を試料上で走
査し、試料から発生する二次電子信号を検出して試料像
を形成する方法において、観察する試料の対称性に応じ
た対称性を有し走査方向の異なる複数の走査パターンで
荷電粒子線を走査し、各走査パターンのもとで得られた
複数の試料像に重ね合わせや平均化等の画像処理を施し
て表示像を発生することを特徴とする。

【００１５】また、本発明は、荷電粒子線を試料上で走
査し、試料から発生する二次電子信号を検出して試料像
を形成する方法において、観察する試料の対称性に応じ
た対称性を有し走査方向の異なる複数の走査パターンで
荷電粒子線を走査し、複数の走査パターンのもとで得ら
れた複数の試料像に重ね合わせや平均化等の画像処理を
施して、観察する試料の対称性を損なう非対称な二次電
子信号の影響を均一化して低減した表示像を発生するこ
とを特徴とする。

【００１６】複数の異なる走査パターンによる像を合成
することによって、荷電粒子線の走査方向によって像に
発生される非対称性が相殺される。どのような走査パタ
ーンを組み合わせると良いかは、観察する試料の形状に
よる。左右対称のパターンを有する試料に対しては、横
（Ｘ）方向を主方向、縦（Ｙ）方向を副方向とし、主方
向の走査を右方向とするラスタ走査と左方向とするラス
タ走査を組み合わせるのがよい。上下対称なパターンを
有する試料に対しては、縦（Ｙ）方向を主方向、横
（Ｘ）方向を副方向とし、主方向の走査を下方向とする
ラスタ走査と上方向とするラスタ走査を組み合わせると
よい。

【００１７】また、半導体ウェーハ上の現像済みレジス
ト膜のコンタクトホールのように試料のパターンが回転
対称の場合は、観察領域中心から周辺部へ広がって行く
螺旋状パターンあるいは観察領域周辺から中心に向かっ
て収束する螺旋状パターンを用いたり、これらの螺旋状
パターンを組み合わせて用いるとよい。このように、観
察する試料のパターンの対称性に応じて荷電粒子線の走
査パターンを選んでやることによって、試料の対称性を
忠実に再現することができるようになり、測長等の精度
を向上することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、走査形電子顕微鏡を例にと
り、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図１は、
本発明による走査形電子顕微鏡の概略説明図である。試
料室１１には、試料１２を載置して移動可能な試料ステ
ージ１３が配置されている。試料室１１の中は、図示し
ない真空ポンプによって高真空に保たれている。鏡体１
６の中には電子源や各種の電子レンズが配置されてお
り、電子源ティップ１７から発生した電子ビーム１８は
コンデンサレンズ１９を通り対物レンズ２１で収束され
て、試料１２に照射される。偏向レンズ２０は、収束し
た電子ビームを試料１２上で二次元的に走査させる。こ
のとき試料から発生した二次電子信号は二次電子検出器
２２で検出される。二次電子検出信号は、画像処理装置
２６において処理された後、ＣＲＴ等の表示装置２３に
供給され、表示装置２３に試料像が表示される。電子
源、コンデンサレンズ１９、偏向レンズ２０、対物レン
ズ２１等は制御装置２４によって制御される。

【００１９】電子ビーム１８の走査パターンは、偏向レ
ンズ２０に印加する偏向信号によって決定される。偏向
信号は、制御装置２４内の偏向レンズコントローラ２５
によって発生される。偏向レンズコントローラ２５に
は、偏向信号として図２、図３に示すようなものが予め
用意され選択可能になっている。走査形電子顕微鏡の電
子線走査パターンは一定の方向性を持ち、観測される像
にも走査パターンの方向性の影響が生ずることがある。
しかし、試料の形状パターンに応じて走査パターンを選
択したり、いくつかの走査パターンで形成された像を合
成することによって走査パターンの影響を低減し得る。

【００２０】図２は、ラスタ走査の偏向信号を示す。図
２（ａ）に示したＸ方向偏向信号及びＹ方向偏向信号を
選択すると、電子ビーム１８は、図４（ａ）のような走
査パターンに従って試料１２を走査する。これはＸ方向
を主方向、Ｙ方向を副方向とするラスタ走査であり、走
査線４１は矩形の観察領域４５の左上隅から始まってＸ
方向右端まで走査し、次に一走査線分Ｙ方向下方に走査
し、再び観察領域左端からＸ方向右端まで走査する。そ
して、この走査を反復して観察領域下端まで走査を行
う。また、図２（ｂ）に示したＸ方向偏向信号及びＹ方
向偏向信号を選択すると、図４（ｂ）に示した走査パタ
ーンが発生される。これは、Ｘ方向を主方向、Ｙ方向を
副方向とするラスタ走査である。ただし、主方向（Ｘ方
向）に走査線４２が走査する向きは図４（ａ）の場合と
逆になっている。

【００２１】図３は、螺旋状の走査パターンを発生する
偏向信号を示す。図３（ａ）は、次第に振幅が大きくな
る正弦波と余弦波の関係にあるＸ方向の偏向信号とＹ方
向の偏向信号を示し、この偏向信号を選択すると、図５
（ａ）に示すように、観察領域５５の中心から周辺部へ
螺旋状に広がって行く走査パターン５１が発生される。
また、図３（ｂ）は、次第に振幅が小さくなる正弦波と
余弦波の関係にあるＸ方向の偏向信号とＹ方向の偏向信
号を示し、この偏向信号を選択すると、図５（ｂ）に示
すように、観察領域５５の周辺部から中心に向かって収
束する螺旋状の走査パターン５２が発生される。

【００２２】次に、図６に示すような、半導体ウエーハ
上に塗布されたレジストのライン・アンド・スペースパ
ターンの観察について説明する。図６（ａ）は観察した
いパターンの概略斜視図、図６（ｂ）はその断面図であ
る。ライン・アンド・スペースパターンのライン部６
１，６２，６３は台形状の断面を有し、その斜面はわず
かな起伏を有する。

【００２３】図７（ｂ）は、図６のライン・アンド・ス
ペースパターンを、図２（ａ）の偏向信号による電子線
走査、すなわち電子ビームを観察領域の左端から右端に
高速で走査するＸ方向の走査をＹ方向に低速で走査しな
がら反復する従来のラスタ走査〔図４（ａ）〕によって
二次電子信号を検出して得た電子顕微鏡像の模式図であ
る。図示されているように、各ライン部６１，６２，６
３の像７１，７２，７３の右側領域７４，７５，７６
は、ライン部の帯電によって暗くなっている。左端のラ
イン部６１はその左側にパターンがないため、それに対
応する像７１の左側には帯電による像の明度低下がな
い。しかし、中央及び右側のライン部６２，６３の像７
２，７３を見ると、その両側がともに暗くなっている。
走査形電子顕微鏡でラインの寸法測長をする場合、像の
明暗をもとに測長位置を決めるので、同じ寸法幅のライ
ンでもその周囲の明るさが異なると異なる寸法に測長さ
れることがあり、従来の方法では誤測定をする可能性が
あった。

【００２４】これに対して、図７（ａ）に示すように、
本発明による走査電子顕微鏡で撮影した試料像には部分
的な像の明度低下がない。図７（ａ）の電子顕微鏡像
は、図２（ａ）に示した偏向信号による第１の走査パタ
ーン、すなわち図４（ａ）のラスタ走査で得られた試料
像と、図２（ｂ）の走査信号による第２の走査パター
ン、すなわち図４（ｂ）のラスタ走査で得られた試料像
を加算して平均化することによって得たものである。

【００２５】このように、左右に鏡面対称のパターン形
状を有する試料を観測する場合、図４に示す２つの走査
パターンによって得られた像を合成することで、左右の
対称性の良い像が得られる。この場合、影は各ラインパ
ターンの左右に均等に現れるので、どのラインパターン
を測っても帯電による影響で測長値が異なるということ
はない。

【００２６】また、観察する試料のパターン形状が、半
導体ウェーハ上のレジスト膜のコンタクトホールのよう
に回転対称の場合には、図５に示すような螺旋状の走査
パターンを用いるとよい。例えば、図５（ｂ）に示した
螺旋状の走査パターンを単独で、あるいは図５（ａ）に
示した螺旋状の走査パターンと図５（ｂ）に示した螺旋
状の走査パターンを組み合わせて用いると、試料の帯電
によって画像の回転対称性が損なわれることなく、対称
性の良い像を得ることができる。従って、真円度の計測
等を正確に行うことができる。

【００２７】図８に断面を示すホールを走査形電子顕微
鏡で観察する例について説明する。ホール８１は半導体
ウェーハ上のレジスト膜８２に形成されたもので、ホー
ル８１の径はレジスト表面より底部の方がわずかに小さ
くなっている。また、ホールの底部には基板８３が露出
している。図９（ｂ）は、図４（ａ）に示した従来のラ
スタ走査パターンを用いて、左上から右下へ電子線を走
査させた場合に得られる像を模式的に表したものであ
る。中央の丸いホール像９１の右側に試料の帯電による
影響で影９２が生じている。図９（ａ）は、本発明によ
る走査形電子顕微鏡で得られたホール像９１を示す。図
９（ａ）のホール像は、図５（ａ）に示す螺旋状の走査
パターンで得られた像と、図５（ｂ）に示す螺旋状の走
査パターンで得られた像を重ね合わせて得られたもので
あり、試料の帯電に起因する局所的な影は生じていな
い。

【００２８】ここでは、代表的な走査パターンについて
のみ説明したが、このほかにも試料に応じて様々な走査
パターンを使用することができる。要は、試料のパター
ン形状の対称性に応じていくつかの走査パターンを選択
し、最終的にそれぞれの画像を合成したときに、それぞ
れの走査パターンの方向性に基づく悪影響が相殺されれ
ば良い。

【００２９】図１０は、試料の対称性に応じて走査パタ
ーンを選択する過程を説明するフロー図である。まず、
観察している試料像が帯電の影響を受けているかどうか
を判断する（Ｓ１０１）。これは走査電子顕微鏡像を観
察することにより、知ることができる。影響がない場合
には、通常の走査パターンを選択する（Ｓ１０２）。帯
電の影響を受けている場合には、その試料の形状をみて
（Ｓ１０３）、回転対称であれば図５に示したような螺
旋状の走査パターンを選択し（Ｓ１０４）、単に左右対
称なパターンであれば図４のようなラスタ走査パターン
を選択する（Ｓ１０５）。ステップ１０１の代わりに、
試料がフォトレジスト等絶縁体であるかどうかを判定
し、絶縁体の場合はステップ１０３に進み、導電体の場
合にはステップ１０２に進むようにしてもよい。また、
ステップ１０３の試料の形状判定は、試料像を画像認識
装置に入力して自動的に判定させるようにしてもよい。

【００３０】ここでは走査形電子顕微鏡を例にあげて説
明したが、本発明は走査形電子顕微鏡以外の荷電粒子線
装置、例えば電子線描画装置やＦＩＢ装置にも適用でき
る。

【００３１】

【発明の効果】本発明によると、荷電粒子線の走査方向
による悪影響が低減されるので、試料の形状を忠実に表
す像を得ることができる。また、試料帯電のため画像上
の場所によって測長値が異なるといった不具合も低減さ
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による走査形電子顕微鏡の概略図。

【図２】荷電粒子線偏向信号の一例を示す図。

【図３】荷電粒子線偏向信号の他の例を示す図。

【図４】図２の偏向信号による走査パターンを示す図。

【図５】図３の偏向信号による走査パターンを示す図。

【図６】ライン・アンド・スペースパターンの説明図。

【図７】走査形電子顕微鏡によるライン・アンド・スペ
ースパターンの像を示す図。

【図８】ホールの断面図。

【図９】走査形電子顕微鏡によるホールの像を示す図。

【図１０】走査形電子顕微鏡の走査パターン選択手順を
説明するフロー図。

【符号の説明】

１１…試料室、１２…試料、１３…ステージ、１６…鏡
体、１７…電子源ティップ、１８…電子ビーム、１９…
コンデンサレンズ、２０…偏向レンズ、２１…対物レン
ズ、２２…二次電子検出器、２４…制御装置、２５…偏
向レンズコントローラ、２６…画像処理装置、４１…走
査線、４２…走査線、４５…観察領域、５１…走査パタ
ーン、５２…走査パターン、５５…観察領域、６１，６
２，６３…ライン部、７１，７２，７３…ライン部の
像、８１…ホール、８２…レジスト膜、８３…基板、９
１…ホール像、９２…影

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】荷電粒子線を試料上で走査し、試料から
発生する二次電子信号を検出して試料像を形成すること
のできる荷電粒子線装置において、荷電粒子線の走査パ
ターンを複数設定できることを特徴とする荷電粒子線装
置。
【請求項２】荷電粒子線を試料上で走査し、試料から
発生する二次電子信号を検出して試料像を形成すること
のできる荷電粒子線装置において、荷電粒子線の走査パ
ターンとして異なる走査パターンを複数選択する手段
と、前記選択された走査パターンのもとで得られた複数
の試料像を処理して表示像を発生する画像処理手段とを
備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項３】前記画像処理手段は、複数の試料像を重
ね合わせ処理又は平均化処理するものであることを特徴
とする請求項２記載の荷電粒子線装置。
【請求項４】前記荷電粒子線装置は走査形電子顕微鏡
であることを特徴とする請求項１、２又は３記載の荷電
粒子線装置。
【請求項５】前記荷電粒子線装置はＦＩＢ装置である
ことを特徴とする請求項１、２又は３記載の荷電粒子線
装置。
【請求項６】前記荷電粒子線装置は電子線描画装置で
あることを特徴とする請求項１、２又は３記載の荷電粒
子線装置。
【請求項７】荷電粒子線を試料上で走査し、試料から
発生する二次電子信号を検出して試料像を形成する方法
において、観察する試料の対称性に応じた対称性を有し
走査方向の異なる複数の走査パターンで荷電粒子線を走
査し、各走査パターンのもとで得られた複数の試料像を
画像処理して表示像を発生することを特徴とする方法。
【請求項８】荷電粒子線を試料上で走査し、試料から
発生する二次電子信号を検出して試料像を形成する方法
において、観察する試料の対称性に応じた対称性を有し
走査方向の異なる複数の走査パターンで荷電粒子線を走
査し、前記複数の走査パターンのもとで得られた複数の
試料像を画像処理することにより、観察する試料の対称
性を損なう非対称な二次電子信号の影響を均一化して低
減した表示像を発生することを特徴とする方法。
【請求項９】前記画像処理は、複数の試料像を重ね合
わせ処理又は平均化処理するものであることを特徴とす
る請求項７又は８記載の方法。
【請求項１０】前記複数の走査パターンは、第１のラ
スタ走査と、主方向が前記第１のラスタ走査の主方向と
逆方向である第２のラスタ走査であることを特徴とする
請求項７、８又は９記載の方法。
【請求項１１】前記複数の走査パターンは、観察領域
中心から周辺部へ広がって行く第１の螺旋走査パターン
と、観察領域周辺から中心に向かって収束する第２の螺
旋走査パターンであることを特徴とする請求項７、８又
は９記載の方法。
【請求項１２】荷電粒子線を回転対称である試料上で
走査し、試料から発生する二次電子信号を検出して試料
像を形成する方法において、荷電粒子線の走査パターン
として観察領域周辺部から中心に向かって収束する螺旋
走査パターンを用いることを特徴とする方法。
【請求項１３】荷電粒子線を試料上で走査し、試料か
ら発生する二次電子信号を検出して試料像を形成する方
法において、試料像が帯電の影響を受けているか否かを
判定する工程と、帯電の影響を受けていると判定された
場合に、試料の対称性を判定する工程と、前記試料の対
称性に応じた対称性を有し走査方向の異なる複数の走査
パターンを選択する工程と、前記選択された走査パター
ンで荷電粒子線を走査する工程と、各走査パターンのも
とで得られた複数の試料像を画像処理して表示像を発生
する工程とを含むことを特徴とする方法。