JPH11126573A - 試料の高さ計測手段を備えた電子ビーム装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 試料高さ計測装置の配置と対物レンズの最大
収束磁場中への試料の配置を容易に実現する。 【解決手段】 対物レンズの第１の磁極１２と第２の磁
極１３を、試料６を介してレーザ光線１１を発生する光
源及び光検出手段の反対側に配置する。両磁極１２，１
３間の間隙は少なくとも試料６側に開放されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電子ビーム装置に関
し、特にステージに載置された試料の高さを計測する手
段を備えた電子ビーム装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体集積回路は、その高密度化
に伴って回路パターンの微細化が著しく進み、シリコン
ウエハに塗布されたレジストへの微細回路パターン描画
や寸法測定に当たっても光学装置に代って電子線描画装
置や電子線測長機等の電子ビーム装置が用いられるよう
になっている。シリコンウエハは、最近では８インチの
大きさのものが使用されているが、その表面は完全な平
坦ではない。このため、ウエハ上の電子線描画位置又は
測定位置が変わるとき、各位置においてウエハの高さ変
化を検知し、電子ビームの焦点を再調整したりウエハを
載せているステージの高さを調整したりして、電子ビー
ムの焦点ぼけが生じたり電子顕微鏡像の倍率に変化が生
じたりするのを回避する必要がある。

【０００３】図４に、高さ検出器を備えた電子ビーム装
置の一例である電子線測長機の従来例を示す（特開昭６
３−２５４６４９号公報）。電子ビーム１は、対物レン
ズ２によってステージ１０に載置された試料であるウエ
ハ６上に収束される。図４では、電子ビーム１の発生源
と走査及び寸法の測定機能部分については省略した。ウ
エハ６の高さを検出する手段は、レーザ発光素子９、真
空の試料室５にレーザビームを通すウィンドー４Ａ、ミ
ラー７Ａ、集光レンズ８Ａ、反射光集光レンズ８Ｂ、ミ
ラー７Ｂ、ウィンドー４Ｂ、ポジションセンサ３で構成
されている。ウエハ６に対して斜めにレーザビーム１１
を照射すると、ウエハ６で反射されてポジションセンサ
３で検知されるレーザビームの位置はウエハ６の高さに
応じて変化する。そこで、ポジションセンサ３を用いて
反射レーザビームの位置変化を測定することにより、ウ
エハ６の高さ変化を測定する。得られたウエハの高さ情
報は、ステージ１０の高さ調整機構又は対物レンズ２の
焦点調整機構にフィードバックされる。このようにし
て、測定開始時にはオペレータにより電子ビーム１の焦
点合わせ等の測定準備が行われるが、その後はウエハ６
の高さ変化に対して電子ビーム１の焦点位置が自動的に
補正され、全ウエハ領域の寸法測定が自動的に行われ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】半導体集積回路の高集
積化はさらに進み、より細い電子ビームを用いた測長又
は描画が望まれるようになっている。電子ビームを細く
絞るためには、対物レンズの焦点距離を短くすることが
必須である。最も短焦点で細く絞った電子ビームが得ら
れる条件は、図４に示した対物レンズ２の下面とウエハ
６をぎりぎりまで接近させることである。ところが、対
物レンズ２とウエハ６を接近させると、レーザ光１１を
通す空間がなくなり高さ計測ができなくなる。これが電
子ビーム装置の高集積化対応と自動化の両立を困難にし
ている問題である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明では、試料を載置
するステージと、該ステージを２次元的又は３次元的に
駆動可能なステージ駆動手段と、電子ビーム発生手段
と、電子ビーム走査手段と、第１の磁極、第２の磁極、
第１の磁極と第２の磁極を磁気的に接続する磁路及び励
磁コイルからなり電子ビームをステージに載置された試
料上に収束するための磁界形対物レンズと、電子ビーム
を走査している試料面に対して斜め方向から光ビームを
照射する光源と、試料面で反射した光ビームを受光して
その受光位置を検知する光検出手段とを含む試料の高さ
計測手段を備えた電子ビーム装置において、光源から試
料面で反射されて光検出手段に至る光ビームの光路が試
料面への光ビーム入射点に立てた法線を軸として作る回
転円錐面にて２分される空間のうち試料が含まれる方の
空間に磁界形対物レンズの第１の磁極及び第２の磁極の
少なくとも一方を設けることによって前記目的を達成す
る。

【０００６】特に、本発明による電子ビーム装置は、電
子ビーム発生手段と、第１の磁極と第２の磁極を有し、
当該両磁極間に発生する磁場によって前記電子ビーム発
生手段で発生した電子ビームを収束する対物レンズと、
試料ステージに配置される試料に対して斜め方向から光
ビームを照射する光源と、試料面で反射した光ビームを
受光してこの受光位置を検知する光検出手段を含む試料
の高さ計測手段を備えた電子ビーム装置であって、第１
の磁極と第２の磁極は、試料を介して光源及び光検出手
段の反対側に配置されると共に、両磁極間の間隙は少な
くとも試料側に開放されていることを特徴とする。

【０００７】図１（ａ）〜（ｅ）によって、本発明の構
成をさらに具体的に説明する。図１（ａ）は、図４に示
した従来の構成の模式図である。１２、１３は、それぞ
れ図４に示した対物レンズ２の上磁極と下磁極で、この
両磁極間に磁場が形成される。この磁場が電子ビーム１
に対してレンズ作用をし、試料であるウエハ６上に電子
ビーム１が収束される。高さを検知するためのレーザ光
線１１は、磁極１３の下の空間を通りウエハ６に照射さ
れる。電子ビーム１をより細く絞るために対物レンズ２
の焦点距離を短くすると、磁極１３とウエハ６の間にレ
ーザ光線１１を通す空間が無くなる。これが従来技術の
問題点であった。

【０００８】図１（ｂ）〜（ｅ）は、上述の問題を解決
するための基本構成を示す模式図である。（ｂ）はレー
ザ光線１１を上磁極１２と下磁極１３の間を通し、下磁
極１３をウエハ６に接近させることができるように構成
するものである。（ｃ）はウエハ６を上磁極１２と下磁
極１３の間に置き、レーザ光線１１を上磁極１２の開口
から入射、反射させるように構成するものである。
（ｄ）は上磁極１２と下磁極１３の両者がウエハ６の下
方にあり、レーザ光線１１の通る空間を充分に取るもの
である。（ｅ）はウエハ６とレーザ光線１１の光路を共
に上磁極１２と下磁極１３の間に置くものである。

【０００９】試料の高さ計測用のレーザ光線の光路と磁
界形対物レンズの磁極との位置関係を上記のように設定
することにより、対物レンズの短焦点距離化による電子
ビームの微小化とレーザ光線による試料の高さ検出を両
立させることができ、より高性能な電子ビーム装置を実
現できる。図１（ｂ）又は（ｄ）に示した配置の場合に
は、対物レンズによって試料６の大きさが制限されるこ
とがないので、大きな試料６を取り扱うことができる。
すなわち、本構成によれば、試料高さ計測装置の光学装
置等に制限されることなく、対物レンズの第１磁極と第
２磁極間のギャップを試料に近接させることができ、試
料の高さ計測装置の配置と対物レンズの最大収束磁場中
への試料の配置を容易に実現することができる。これに
対して、図１（ｃ）又は（ｅ）に示した配置の場合に
は、対物レンズ２の第１の磁極と第２の磁極を接続する
磁路の一部に開口を設けてそこから試料を出し入れしな
ければならないため、試料の大きさが制限され、試料の
取扱いが複雑になるが、対物レンズの焦点距離を短くし
て電子ビームを非常に細く絞ることが可能になる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態につい
て説明する。 〔実施例１〕図２に、本発明の一実施例の断面図を示
す。本実施例の基本の構成は、図１（ｂ）の構成であ
る。ウエハ６はウエハホールダ１２に固定され、ステー
ジ１０により電子ビーム１の照射下で水平移動される。
電子ビーム１は、上走査コイル１４及び下走査コイル１
５によりウエハ６上を走査される。上走査コイル１４と
下走査コイル１５の２段の走査コイルを用いることで、
電子ビーム１は常に対物レンズ２のレンズ中心１６を通
るように調整され、レンズ中心１６から電子ビームが外
れることによる電子ビーム１のぼけを防いでいる。対物
レンズ２のレンズ中心１６を通るように走査された電子
ビーム１は、上磁極２８、下磁極２９、磁路３０及び励
磁コイル３１で構成される対物レンズ２によってウエハ
６上に収束される。

【００１１】本実施例の対物レンズ２の特徴は、ウエハ
６に面した下磁極２９を平板状としウエハ６にできる限
り接近させていることである。上走査コイル１４と下走
査コイル１５の外側にはフェライトコア１７が置かれ、
走査コイルで発生した磁場が外にもれることを防いでい
る。また上走査コイル１４、下走査コイル１５及びフェ
ライトコア１７はコイルケース１８に納められ、電子ビ
ーム１が通る真空の空間とは分離され、大気圧に保たれ
ている。

【００１２】電子ビーム１がウエハ６を照射することで
発生した二次電子２０は、加速電極１９で加速され、さ
らに偏向板２２Ａ，２２Ｂで構成される静電偏向器の作
る電場Ｅによって偏向される。偏向板２２Ｂはメッシュ
で作られ、偏向された二次電子２０が透過できるように
なっている。静電偏向器で電子ビーム１も偏向されるこ
とになるが、本実施例では偏向板２２Ａ，２２Ｂと同位
置に偏向コイル２１を置くことで電子ビーム１の偏向を
防いでいる。すなわち、偏向コイル２１の作る磁界Ｂ
は、電子ビーム１を静電偏向器による偏向とは逆向き
で、しかもそれを打ち消す大きさに偏向するように調整
されている。メッシュ２２Ｂを通過した二次電子２０
は、高電圧（例えば１０ｋＶ）が印加されたシンチレー
タ２４に吸引され、シンチレータ２４に衝突して発光さ
せる。発光した光はライトガイド２５でホトマル２７に
導かれ、そこで検出され増幅される。３３は金属円筒
で、ここに導入端子２６から高電圧が導入され、シンチ
レータ２４に高電圧を供給している。２３は接地電位の
保護円筒である。ホトマル２７で増幅された二次電子２
０はさらに増幅されて図示しない陰極線管の輝度変調信
号となり、陰極線管上に走査像を形成する。

【００１３】対物レンズの磁路３０にはレーザ発光素子
９が固定されており、発光素子９から発射されたレーザ
光線１１は上磁極２８と下磁極２９の間を通ってウエハ
６を照射している。この際、レーザ光線１１は集光レン
ズ８Ａによってウエハ６に収束される。ウエハ６で反射
したレーザ光線１１は集光レンズ８Ｂによってポジショ
ンセンサ３に収束入射され、ポジションセンサ３への入
射位置の変化が検出される。このようにして検出された
ウエハ６の高さ変化は、対物レンズ２の焦点補正用又は
ステージ１０の高さ補正用のデータとしてフィードバッ
クされる。集光レンズ８Ａ、８Ｂは非磁性のリング状隔
壁部材３６に真空シールを介して固定され、リング状隔
壁部材３６より内側の電子ビーム通路に連通する部分の
みが真空に維持されている。レーザ発光素子９及びポジ
ションセンサ３はネジ等によって磁路３０に取り付けら
れており、その光軸方向あるいは視野をオペレータが調
整できるようになっている。

【００１４】発光素子９及び検出器３は、対物レンズ２
の内部に収納することも可能であるが、光軸調整等を簡
便に行うことができるようにし、対物レンズを必要以上
に大型化しないためには、本実施例のように対物レンズ
２の磁路３０に露出させて取り付けるのが有利である。
また、本実施例では対物レンズ２の下磁極２９を平板状
としたため、上磁極２８、下磁極２９及び磁路３０で囲
まれる空間を広く取ることができ、レーザ発光素子９、
ポジションセンサ３、集光レンズ８Ａ，８Ｂ等の設置を
容易に行うことができる。

【００１５】〔実施例２〕図３は、図２に示した高さ計
測手段にさらに光学顕微鏡を付加した実施例の断面図で
ある。図３には対物レンズ２の部分のみ図２に示した断
面と直交した断面が示されており、レーザ発光素子９及
びポジションセンサ３は紙面垂直方向に位置するため図
示されていない。対物磁路３０のウエハ６に対向した面
にウィンドー３７が設けられ、像ミラー３８を介して光
学顕微鏡３９がウエハ６の一部分を見込んでいる。光学
顕微鏡３９によって拡大された像は固体撮像素子４０で
電気信号に変換され、図示しない陰極線管上に表示され
る。この光学像は、電子ビームによる走査像では得るの
が困難な低倍率でウエハ６内の観察位置を確認するのに
用いられる。電子ビーム１による観察位置と光学顕微鏡
３９による観察位置の差は、あらかじめその観察位置差
を測定しておきステージ１０を用いて補正する。焦点の
調整は、例えばステージ１０の高さ調整で行う。

【００１６】この場合、光学顕微鏡３９による光学像を
電子ビームの焦点調整のために利用することも可能であ
る。すなわち、まず光学顕微鏡像のコントラストが最大
になるようにステージ１０を上下動することによって粗
調整を行い、その後、図３に示したレーザ光線を用いる
方法によって電子ビーム１の焦点合わせを行うようにす
る。斜め入射するレーザ光線とポジションセンサを用い
る焦点合わせの方法は電子ビーム１の入射位置でのウエ
ハ６の高さ変化を高精度に計測できる利点を有するがダ
イナミックレンジが狭いので、このようにしてダイナミ
ックレンジが比較的広い光学顕微鏡による光学像のコン
トラストを利用する方法と組み合わせると、測定開始時
の最初の焦点合わせの操作が容易になる。なお、図３に
はウィンドー３７を一つしか設けていないが、対物レン
ズ２の磁気特性が非対称になるのを防ぐために複数個の
ウィンドー、通常は４個のウィンドーを対物レンズの軸
に対して軸対称な位置に設ける。

【００１７】

【発明の効果】本発明によると、試料高さ計測装置の光
学装置等に制限されることなく、対物レンズの第１磁極
と第２磁極間のギャップを試料に近接させることがで
き、試料の高さ計測装置の配置と対物レンズの最大収束
磁場中への試料の配置を容易に実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による高さ検出法の概略説明図。

【図２】本発明の一実施例の説明図。

【図３】高さ検出器と光学顕微鏡の両者を備えた本発明
の他の実施例の説明図。

【図４】高さ検出器を備えた従来の電子ビーム装置の説
明図。

【符号の説明】

１：電子ビーム、２：対物レンズ、３：ポジションセン
サ、４Ａ，４Ｂ：ウィンドー、５：試料室、６：ウエ
ハ、７Ａ，７Ｂ：ミラー、８Ａ，８Ｂ：集光レンズ、
９：発光素子、１０：ステージ、１１：レーザ光線、１
２：ウエハホールダ、１４：上走査コイル、１５：下走
査コイル、１６：対物レンズ中心、１７：フェライトコ
ア、１８：コイルケース、１９：加速電極、２０：二次
電子、２１：偏向コイル、２２Ａ，２２Ｂ：偏向板、２
３：保護円筒、２４：シンチレータ、２５：ライトガイ
ド、２６：導入端子、２７：ホトマル、２８：上磁極、
２９：下磁極、３０：磁路、３１：励磁コイル、３３：
金属円筒で、３６：リング状隔壁部材、３７：ウィンド
ー、３８：像ミラー、３９：光学顕微鏡、４０：固体撮
像素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 笹田 勝弘 茨城県ひたちなか市大字市毛882番地 株 式会社日立製作所計測器事業部内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子ビーム発生手段と、第１の磁極と第
   ２の磁極を有し、当該両磁極間に発生する磁場によって
   前記電子ビーム発生手段で発生した電子ビームを収束す
   る対物レンズと、試料ステージに配置される試料に対し
   て斜め方向から光ビームを照射する光源と、試料面で反
   射した光ビームを受光してこの受光位置を検知する光検
   出手段を含む試料の高さ計測手段を備えた電子ビーム装
   置であって、 前記第１の磁極と第２の磁極は、前記試料を介して前記
   光源及び光検出手段の反対側に配置されると共に、両磁
   極間の間隙は少なくとも前記試料側に開放されているこ
   とを特徴とする試料の高さ計測手段を備えた電子ビーム
   装置。
2. 【請求項２】 前記光源はレーザ発光光源であることを
   特徴とする請求項１記載の試料の高さ計測手段を備えた
   電子ビーム装置。
3. 【請求項３】 前記光検出手段の出力信号によって前記
   磁界形対物レンズの励磁コイルへ流す電流を制御する手
   段を含むことを特徴とする請求項１又は２記載の試料の
   高さ計測手段を備えた電子ビーム装置。
4. 【請求項４】 前記光検出手段の出力信号によって前記
   ステージ駆動手段を制御する手段を含むことを特徴とす
   る請求項１、２又は３記載の試料の高さ計測手段を備え
   た電子ビーム装置。