JPH09257445A - 集束イオンビーム装置を用いた表面形状測定方法及び集束イオンビーム装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＦＩＢ装置を用いて、試料を傾斜させること
無く突起物の高さを測定することが可能な方法を提供
し、１台のＦＩＢ装置を使用して、シフタ凸欠陥の高さ
測定とフォトマスクの欠陥修正との双方を実施すること
を可能にする。 【解決手段】 パルス化されたイオンビーム２５を試料
１５表面上の基準面及び測定点に照射し、イオンビーム
２５が飛行経路上の所定断面１９から前記基準面に到達
するまでの飛行時間と、イオンビームが所定断面１９か
ら前記測定点に到達するまでの飛行時間とを測定し、測
定点までの飛行時間と基準面までの飛行時間との差を求
め、この飛行時間の差の値に基いて、基準面から測定点
までの高さを求める、

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、集束イオンビーム
装置（以下、「ＦＩＢ装置」と呼ぶ）を用いた試料表面
の凹凸の測定方法、及びそれを応用した三次元表面形状
測定方法に係る。この方法は、特に、ＦＩＢ装置を用い
たフォトマスクの欠陥修正において有効に利用できる。

【０００２】

【従来の技術】益々、高集積化が進むＬＳＩメモリの製
造のため、近い将来、位相シフトマスクが使用されると
予想されている。中でも、レベンソン型位相シフトマス
ク（以下、「レベンソンマスク」と呼ぶ）は、その解像
力の高さから最も有力視されている。

【０００３】フォトマスクを使用して転写によってウエ
ハ上にパターンを形成する場合、フォトマスク表面に欠
陥があると、これを用いて形成された全てのパターンに
欠陥が入るため、欠陥修正技術は重要である。レベンソ
ンマスクの場合、透明なシフタ部の突起物状の欠陥（シ
フタ凸欠陥）の修正方法として、ＦＩＢ装置を用いたエ
ッチバックプロセスが提案されている。この欠陥修正の
プロセスにおいては、カーボンデポジションの工程の前
に、予めシフタ凸欠陥の高さを求めておく必要がある。

【０００４】シフタ凸欠陥の高さを測定する方法に関し
ては、ＦＩＢ装置を用いた方法が提案されている。図５
に、その方法の概要を示す。図５に示す様に、試料表面
上の突起物５４の上にＦＩＢアシストデポジションによ
ってカーボンの線５３を堆積する。次に、試料を傾斜さ
せて、この線５３をＦＩＢ装置の二次電子線像によって
観察する。画像上において突起物上のカーボンの線と基
準面（欠陥の無い部分）上のカーボンの線との間の距離
ｘを測定し、この距離ｘと試料の傾斜角度θから突起物
５４の高さを算出する。この方法によりシフタ凸欠陥の
高さを求めた後、レーザ照射によりカーボン線を除去し
て、上記のエッチバックプロセスにより欠陥修正を行
う。

【０００５】しかしながら、ＦＩＢ装置に試料を傾斜さ
せる機構を組み込むと床からの振動の影響を受け易くな
るので、高い位置精度が要求されるマスク修正用のＦＩ
Ｂ装置では、試料を傾斜させる機構を組み込むことはで
きない。そこで、試料の傾斜機構を備えた別のＦＩＢ装
置を使用して、上記方法により欠陥の高さを、予め、求
めておく必要がある。即ち、フォトマスクの欠陥修正の
際には二種類のＦＩＢ装置が必要となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記の突起物の高さを
求める方法では、フォトマスクのシフタ凸欠陥等の修正
のため、マスク修正用のＦＩＢ装置とは別に、試料の傾
斜機構を備えたＦＩＢ装置が必要となる。また、この方
法では試料表面の三次元形状を求めることはできない。

【０００７】この様な問題点に鑑み、本発明の目的は、
ＦＩＢ装置を用いて試料を傾斜させること無く突起物の
高さを測定することが可能な方法を提供し、それによっ
て、１台のＦＩＢ装置を使用してシフタ凸欠陥の高さ測
定とフォトマスクの欠陥修正との双方を実施することを
可能にし、更に、試料の三次元表面形状の測定を可能と
することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明のＦＩＢ装置（集
束イオンビーム装置）を用いた表面形状測定方法は、パ
ルス化されたイオンビームの発生手段を備えたＦＩＢ装
置を用いて、パルス化されたイオンビームを試料表面上
の基準面及び測定点に照射し、イオンビームが飛行経路
上の所定断面から前記基準面に到達するまでの飛行時間
と、イオンビームが前記所定断面から前記測定点に到達
するまでの飛行時間とを測定し、前記測定点までの飛行
時間と前記基準面までの飛行時間との差を求め、この飛
行時間の差の値に基いて、基準面から測定点までの高さ
（あるいは深さ）を求める、ことを特徴とする。

【０００９】また、この方法に基いて、パルス化された
イオンビームを試料表面上の基準面に照射するととも
に、試料表面上の測定面に走査しながら照射し、前記測
定面内の各点において飛行時間の差を測定することによ
って、前記試料表面の三次元形状を求めることも可能で
ある。

【００１０】また、この方法を適用するためのＦＩＢ装
置は、イオンビームの発生手段と、イオンビームのパル
ス化手段と、このパルス化されたイオンビームがその飛
行経路上の所定断面を通過したことを検出する第一の検
出手段と、イオンビームの走査手段と、イオンビームが
試料表面に入射した際に発生する光あるいは二次荷電粒
子の検出する第二の検出手段と、前記パルス化されたイ
オンビームを試料表面上の基準面及び測定点に照射した
際の前記第一の検出手段の出力信号及び前記第二の検出
手段の出力信号に基いて、イオンビームが前記所定断面
から前記基準面に到達するまでの飛行時間と、前記所定
断面から前記測定点に到達するまでの飛行時間との差を
測定する信号処理手段と、この飛行時間の差の測定値に
基いて、前記基準面から前記測定点までの高さあるいは
深さを算出する演算手段と、を備える。

【００１１】本発明の方法によれば、パルス化されたイ
オンビームが前記所定断面を通過して試料表面に到達す
るまでに要する時間を、前記第一の検出手段の出力信号
パルスから前記第二の検出手段の出力信号パルスまでの
時間として検出し、この様にして検出された時間につい
て、前記基準面と前記測定点の間で差を求め、この値を
飛行時間差の測定値とする。イオンビームの速度は、イ
オンの質量、電荷量、加速電圧等で決定されるので、飛
行時間差の測定値に基いて、前記基準面から前記測定点
までの高さ（あるいは深さ）を求めることができる。な
お、実際の作業においては、高さ（あるいは深さ）が既
知の標準試料を用いて、前記飛行時間差の測定値と高さ
（あるいは深さ）との関係を較正しておく。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図１から図
４を用いて説明する。図１は、本発明に基く表面形状測
定方法を実施するためのＦＩＢ装置（マスク修正装置）
の構成の概要を示す。

【００１３】本発明の方法に使用するＦＩＢ装置は、図
１に示す様に、試料１５を収容する試料チャンバ１７
と、イオンビーム光学系を収容する鏡筒部１とから構成
されている。鏡筒部１の内部には、上から順に、Ｇａイ
オン源２、第一静電レンズ３、イオンビームのパルス化
手段４、ビームブランキング５、ビームブランキングア
パーチャ６、キャパシティブピックオフ１９、偏向器
７、スティグメータ８、及び第二静電レンズ９が配置さ
れて、イオンビーム光学系が形成されている。試料チャ
ンバ１７には、試料１５を保持する試料ステージ１６が
配置されるほか、試料がフォトマスクなどの絶縁物であ
る場合にイオンビーム照射による帯電を避けるためのチ
ャージニュートライザ１０、試料１５にイオンビームが
入射した際に発生する光を検出する光電子増倍管１１、
試料１５の表面に反応ガスを供給するガス供給系１４な
どが接続されている。また、試料チャンバ１７及び鏡筒
部１の内部は、真空排気装置（図示せず）に接続され減
圧されている。

【００１４】図２（ａ）は、図１中のイオンビームのパ
ルス化手段４の構成を示す。パルス化手段４は、図２
（ａ）に示す様に、イオンビームを左右に振るスイープ
機構２１、イオンビームを短時間で上下させるポップ機
構２０、中心部にアパーチャ２６を有するアパーチャ板
２２、及びこれらの機構でパルス化されたイオンビーム
のビーム幅を更に短縮するバンチング機構２４から構成
される。

【００１５】次に、イオンビームがＧａイオン源２から
試料１５に到達するまでの過程について説明する。鏡筒
部１の頂部に配置されたＧａイオン源２から引き出され
たＧａ⁺ イオンビーム１８は、第一静電レンズ３で収束
された後、パルス化手段４に入り、ここで以下の様な原
理によってパルス化イオンビームとなる。

【００１６】図２（ｂ）は、パルス化手段４の動作原理
を示す。第一静電レンズ３で収束されたＧａ⁺ イオンビ
ーム１８は、スイープ機構の電極２１により横方向にス
イープされるとともに（矢印２８）、ポップ機構の電極
２０によりスイープ方向と交差する方向に断続的にシフ
トされながら（矢印２７）、アパーチャ板２２上に入射
する。この様にして、Ｇａ⁺ イオンビーム１８がアパー
チャ板２２に設けられたアパーチャ２６に断続的に導か
れることによって、アパーチャ２６を通過したイオンビ
ーム２３はパルス状のイオンビームとなる。このパルス
状のイオンビーム２３は、更に、バンチング機構２４で
パルスに同期して減速あるいは加速がなされ、ビーム幅
が０．５ｐｓｅｃまで短縮されて、パルス化イオンビー
ム２５となる。

【００１７】この様にして、パルス化手段４で形成され
たパルス化イオンビーム２５は、図１に示す様に、ＦＩ
Ｂの鏡筒部１に配置されたビームブランキング５、ビー
ムブランキングアパーチャ６、キャパシティブピックオ
フ１９、偏向器７、及びスティグメータ８などを順に通
過した後、第二静電レンズ９によって試料１５上に収束
される。

【００１８】次に、図１の装置を使用して、試料表面上
の欠陥部の高さ（あるいは深さ）を測定する方法につい
て説明する。パルス化手段４によって形成されたパルス
化イオンビーム２５が、鏡筒部１内のイオンビーム飛行
経路上の所定断面を通過してから、試料の上に到達する
までの時間を検出するために、この例では、鏡筒部１の
偏向器７の手前にキャパシティブピックオフ１９を配置
するとともに、試料チャンバ１７に光電子増倍管１１を
配置している。パルス化イオンビーム２５がキャパシテ
ィブピックオフ１９を通過すると、キャパシティブピッ
クオフに電流が流れ、これがキャパシティブピックオフ
１９の出力として検出される。この出力をプリアンプを
通して高速整形アンプ３１で整形増幅する。一方、パル
ス化イオンビーム２５が、試料１５上に入射した際に発
生する光を光電子増倍管１１で捕捉して、その出力をプ
リアンプを通して別の高速整形アンプ３２で整形増幅す
る。

【００１９】光電子増倍管１１からの出力を整形増幅し
た出力信号をスタート信号とし、キャパシティブピック
オフ１９からの出力を整形増幅した信号を遅延させてス
トップ信号として、ＡＤＣ３３（Analog to Digital Co
nverter ）に送る。これによって、ＡＤＣ３３の出力と
して、上記の二つ信号がＡＤＣ３３に入る時間の差に依
存するパルス幅を持つ出力信号が得られる。従って、試
料１５の表面に段差がある場合、表面の高さの相違がＡ
ＤＣ３３の出力信号の幅の違いとして検出される。

【００２０】図３に、凸欠陥部の高さを測定する場合の
ＡＤＣ３３の出力信号の例を示す。キャパシティブピッ
クオフ１９からの出力信号を遅延させてストップ信号と
して用いているので、パスル化イオンビーム２５が基準
面Ａに入射する場合（図３（ａ））と比較すると、凸欠
陥部（Ｂ点）に入射する場合（図３（ｂ））にはＡＤＣ
３３の出力信号の幅が増加する。従って、ＡＤＣ３３の
出力信号の幅を、波高分析器３４で分析すれば、試料表
面上の凸欠陥部Ｂまでと基準面Ａまでのイオンビームの
飛行時間差を求めることができる。

【００２１】図４に、波高分析器３４の出力信号の例を
示す。図４に示す様に、ＡＤＣ３３の出力信号の幅の分
布が、波高分析器３４によって、チャンネル数対カウン
ト数の関係に変換される。チャンネル数は飛行時間に対
応し、チャンネル数の相違は飛行時間差に対応してい
る。

【００２２】イオンビームの飛行速度は、使用されたＧ
ａ⁺ イオンの質量とイオンビームのエネルギーとから求
められるので、飛行時間差の測定値とイオンビームの飛
行速度から、基準面Ａと凸欠陥部Ｂとの高さの差を算出
することができる。なお、実際には、段差が既知の試料
を用いて波高分析器３４の１チャンネル当たり高さ（あ
るいは深さ）を予め求めておく。

【００２３】次に、測定条件の一例について説明する。
具体的な測定条件としては、例えば、パルス化されたイ
オンビームのエネルギーを４ｋｅＶ、ビーム径を０．１
μｍ、繰り返しを２０ＭＨｚ、ビーム電流を５．０ｐＡ
とする。また、波高分析器３４の１チャンネル当たりの
時間を０．５ｐｓｅｃ／ｃｈとする。４ｋｅＶのＧａ⁺
イオンは、１０ｎｍの距離を飛行するのに１ｐｓｅｃを
要する。従って、図４に示す様な欠陥に対する測定例で
は、イオンビームが基準面に入射する際の飛行時間の波
高分布と、欠陥に入射する際の飛行時間の波高分布か
ら、これらのピークの差が２３ｃｈであり、従って、飛
行時間差の測定値として１１．５ｐｓｅｃ、凸欠陥部の
高さ換算値として１１５ｎｍが得られる。

【００２４】なお、欠陥の高さ測定の際のＦＩＢ装置の
設定条件は、加速電圧として１０ｋｅＶ以下、パルス繰
り返し数として１０ＭＨ以上とすれば、本発明の方法を
実施できる。

【００２５】また、イオンビームのパルス化手段は上記
の構成に限定されず、パルス幅が数ｐｓｅｃ以下のパル
スを発生できるものならば使用可能である。イオンビー
ムが試料表面に到達したことを検出する手段について
も、二次電子あるいは二次イオンを検出するためのマイ
クロチャネルプレート、シンチレータと光電子増倍管を
組み合わせた検出器を用いることができる。実際の測定
では、図１に示す様に、飛行時間分析系１２の最終段の
波高分析器３４の出力をコンピュータ１３に入力して、
欠陥の高さを求める。

【００２６】また、以上の方法は、凸欠陥部の高さの測
定に限定されるものではなく、凹欠陥の深さを測定する
場合にも同様に適用可能であり、更に、対象とする測定
領域上をパルス化されたイオンビームで走査し、走査し
た面上の各点で上記と同様の飛行時間差の解析を行うこ
とにより、試料の三次元表面形状を求めることができ
る。欠陥の高さの測定後、ＦＩＢ装置の設定条件を変更
して（例えば、加速電圧を３０ｋｅＶに増加する）、欠
陥の修正の工程に移る。

【００２７】

【発明の効果】本発明の集束イオンビーム装置を用いた
表面形状測定方法によれば、パルス化されたイオンビー
ムを用いて、イオンビームが飛行経路上の所定断面から
試料表面に到達するまでの飛行時間を測定し、試料表面
上の基準面と測定点との間で上記飛行時間の差を求め、
この値に基いて基準面から測定点までの高さ（あるいは
深さ）を求める様にしたので、従来法の様に、欠陥の高
さを測定するために試料ステージを傾斜させる必要がな
くなった。この結果、高い位置精度を維持したまま、１
台のＦＩＢ装置で欠陥の高さ測定と欠陥の修正プロセス
の双方を実施することが可能となり、フォトマスクのシ
フタ凸欠陥等の修正作業の効率を大幅に向上させること
が可能となった。また、本発明の方法に基いて、今まで
不可能であった試料表面の微細な三次元表面形状を測定
することも可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】イオンビームのパルス化手段及び飛行時間分析
系を備えた本発明の方法に使用されるＦＩＢ装置の概略
図。

【図２】パルス化手段の説明図、（ａ）はパルス化手段
の概略構成を示し、（ｂ）はパルス化手段の動作原理を
示す。

【図３】飛行時間差測定におけるＡＤＣの出力を説明す
る図。

【図４】飛行時間差測定における波高分析器の出力の説
明する図。

【図５】従来の突起物の高さ測定方法を説明する図。

【符号の説明】

１・・・鏡筒部、２・・・Ｇａイオン源、３・・・第一
静電レンズ、４・・・イオンビームのパルス化手段、５
・・・ビームブランキング、６・・・ビームブランキン
グアパーチャ、７・・・偏向器、８・・・スティグメー
タ、９・・・第二静電レンズ、１０・・・チャージニュ
ートライザ、１１・・・光電子増倍管、１２・・・飛行
時間分析系、１３・・・コンピュータ、１４・・・ガス
供給系、１５・・・試料、１６・・・試料ステージ、１
７・・・試料チャンバ、１８・・・Ｇａ⁺ イオンビー
ム、１９・・・キャパシティブピックオフ、２０・・・
ポップ機構（電極）、２１・・・スイープ機構（電
極）、２２・・・アパーチャ板、２３・・・パルス状の
ビーム、２４・・・バンチング機構（バンチャ）、２５
・・・パルス化イオンビーム、２６・・・アパーチャ、
２７・・・ポップ機構によるビームの動き、２８・・・
スイープ機構によるビームの動き、３１・・・高速整形
アンプ、３２・・・高速整形アンプ、３３・・・ＡＤ
Ｃ、３４・・・波高分析器、５２・・・試料ステージ、
５３・・・カーボン線、５４・・・突起物（欠陥）。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パルス化されたイオンビームを発生する
   工程と、 前記イオンビームを試料表面上の基準面及び測定点に照
   射する工程と、 前記イオンビームが飛行経路上の所定断面から前記基準
   面に到達するまでの飛行時間と、前記イオンビームが前
   記所定断面から前記測定点に到達するまでの飛行時間と
   を測定する工程と、 前記測定点までの飛行時間と前記基準面までの飛行時間
   との差を求める工程と、 この飛行時間の差の値に基いて、基準面から測定点まで
   の高さあるいは深さを求める工程と、 を有することを特徴とする集束イオンビーム装置を用い
   た表面形状測定方法。
2. 【請求項２】 パルス化されたイオンビームを発生する
   工程と、 前記イオンビームを試料表面上の基準面に照射するとと
   もに、試料表面上の測定面に走査しながら照射する工程
   と、 前記イオンビームが飛行経路上の所定断面から前記基準
   面に到達するまでの飛行時間と、前記イオンビームが前
   記所定断面から前記測定面内の各点に到達するまでの飛
   行時間とを測定する工程と、 前記測定面内の各点について、前記基準面までの飛行時
   間との差を求める工程と、 これら各点についての飛行時間の差の値に基いて、試料
   表面の三次元形状を求める工程と、 を有することを特徴とする集束イオンビーム装置を用い
   た表面形状測定方法。
3. 【請求項３】 イオンビームの発生手段と、 イオンビームのパルス化手段と、 このパルス化されたイオンビームがその飛行経路上の所
   定断面を通過したことを検出する第一の検出手段と、 イオンビームの走査手段と、 イオンビームが試料表面に入射した際に発生する光ある
   いは二次荷電粒子の検出する第二の検出手段と、 前記パルス化されたイオンビームを試料表面上の基準面
   及び測定点に照射した際の前記第一の検出手段の出力信
   号及び前記第二の検出手段の出力信号に基いて、イオン
   ビームが前記所定断面から前記基準面に到達するまでの
   飛行時間と、前記所定断面から前記測定点に到達するま
   での飛行時間との差を測定する信号処理手段と、 この飛行時間の差の測定値に基いて、前記基準面から前
   記測定点までの高さあるいは深さを算出する演算手段
   と、 を備えた収束イオンビーム装置。
4. 【請求項４】 前記イオンビームのパルス化手段は、 イオンビームの方向を断続的にシフトさせるポップ機構
   と、 イオンビームの方向を前記シフト方向と交差する方向に
   往復させるスイープ機構と、 開口部を備え開口部に入射したイオンビームのみが通過
   するアパーチャと、 アパーチャを通過してパルス化されたイオンビームのパ
   ルス幅を更に短縮するバンチング機構と、 をイオンビームの飛行経路上に、順に配置することによ
   って構成されていることを特徴とする請求項３に記載の
   集束イオンビーム装置。
5. 【請求項５】 前記第一の検出手段は、キャパシティブ
   ピックオフであることを特徴とする請求項３に記載の集
   束イオンビーム装置。