JPWO2006135021A1 - 荷電粒子線装置および荷電粒子線像生成方法 - Google Patents

荷電粒子線装置および荷電粒子線像生成方法 Download PDF

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Abstract

【目的】本発明は、荷電粒子線照射により帯電して像観察の支障となり易い半導体ウェハやフォトマスク等の試料の表面の観察、検査、加工を行う荷電粒子線装置および荷電粒子線像生成方法に関し、予備排気室あるいは試料室中などで電子線等で帯電した試料の表面あるいは近傍を大気あるいは減圧雰囲気あるいは所定ガス雰囲気に保持した状態で、軟X線を照射して正イオンおよび負イオンの生成効率を高めて試料の表面の電荷を効率的に除電することを目的とする。【構成】 試料を収納する試料室あるいは所定の部屋に配置し、試料あるいは試料の近傍を、軟X線で照射する軟X線発生器と、試料室あるいは部屋を所定雰囲気にした状態で、軟X線発生器を制御して発生させた軟X線を試料あるいは試料の近傍に照射して正イオンおよび負イオンを生成し、試料の表面の電荷の除電を制御する手段とを備える。【選択図】 図1

Description

本発明は、荷電粒子線照射により帯電して像観察の支障となり易い半導体ウェハやフォトマスク等の試料の表面の観察、検査、加工を行う荷電粒子線装置および荷電粒子線像生成方法に関するものである。
従来、半導体ウェハやフォトマスク表面の観察やパターン測長に、電界放出型走査電子顕微鏡(FE−SEM)が用いられている。また、フォトマスクパターンの修正に集束イオンビーム装置(FIB)が用いられている。しかし、これら被観察用あるいは被測長用の試料の表面は、全体あるいは一部が非伝導性材料で構成されているため、荷電粒子の照射により表面が帯電し、観察あるいは測長あるいは加工に支障となることがある。
このため、大気中あるいは大気を減圧した雰囲気中あるいは他のガス雰囲気中に試料を置いて紫外線を照射して正イオンおよび負イオンを発生させ、試料上の電荷を中和(除電)することが行われている。
しかし、上述した重水素ランプから放出された紫外線を減圧した雰囲気中の試料に照射して正イオンおよび負イオンを発生させ、当該試料上の電荷を中和して帯電を除電する技術では、以下のような問題があった。
1.ガス原子・分子が中性で安定した基底状態では、電子は、エネルギー準位の最も低い軌道上に存在する。
2.これに、例えば1光子(紫外線の1光子)が当り吸収されると、1つの電子が外側の該当準位の軌道上に移動する(いわゆる励起する)。この状態では、電気的に中性であるが、不安定な状態であり、およそ1〜2秒で元の基底状態に戻ってしまう。
3.基底状態に戻る前に、別の光子(紫外線の1光子)が当り、エネルギーを吸収すると、励起された電子が、更にエネルギーを得ることによって、当該電子は軌道から飛び出し、原子・分子の拘束から完全に解放される。結果として、正イオン(電子を放出した元の原子あるいは分子)と、放出された電子が短時間で他の中性分子(中性原子)と結合して負イオンとの両者が形成される。
4.そして、試料上の電荷は、上記形成された正イオンあるいは負イオンによって中和され帯電を除電する。
しかし、UV光では、中性ガス原子・分子を1光子のエネルギーだけでは、イオン化することができず、例えば2つの光子のエネルギーによって正イオンおよび負イオンが形成されるため、その生成効率が低く、強いUV光が必要とされてしまうなどの問題があった。
本発明は、これらの問題を解決するため、荷電粒子線を試料に照射して当該試料から放出される2次電子線などを検出して画像を生成する荷電粒子線装置において、予備排気室あるいは試料室中などで電子線等で帯電した試料の表面あるいは近傍を大気あるいは減圧雰囲気あるいは所定ガス雰囲気に保持した状態で、UV光よりもエネルギーの大きい軟X線を照射して正イオンおよび負イオンの生成効率を高めて当該試料の表面の電荷を効率的に除電することを目的としている。
本発明は、荷電粒子線を試料に照射して当該試料から放出される2次電子線などを検出して画像を生成する荷電粒子線装置において、予備排気室あるいは試料室中などで電子線等で帯電した試料の表面あるいは近傍を大気あるいは減圧雰囲気あるいは所定ガス雰囲気に保持した状態で、UV光よりもエネルギーの大きい軟X線を照射して正イオンおよび負イオンの生成効率を高めて当該試料の表面の電荷を効率的に除電することが可能となる。
本発明は、荷電粒子線を試料に照射して当該試料から放出される2次電子線などを検出して画像を生成する荷電粒子線装置において、予備排気室あるいは試料室中などで電子線等で帯電した試料の表面あるいは近傍を大気あるいは減圧雰囲気あるいは所定ガス雰囲気に保持した状態で、UV光よりもエネルギーの大きい軟X線を照射して正イオンおよび負イオンの生成効率を高めて当該試料の表面の電荷を効率的に除電することを実現した。
図1は、本発明のシステム構成図を示す。以下の実施例では、荷電粒子線(電荷を持った粒子線である、電子線、イオン線など)のうちの電子線を用い、かつ細く絞った電子線を試料(マスク)に照射した状態で平面走査(X方向およびY方向に走査)し、当該試料から放出された2次電子を検出・増幅して画像(2次電子像という)を生成する例について以下順次詳細に説明する。尚、他の荷電粒子線(イオン線など)も同様であり、また、以下で述べる電子線を試料に照射して放出された2次電子を検出・増幅して画像を得ると同様に、透過した電子線、反射した電子線を検出・増幅した画像(いわゆるSEM(走査型電子顕微鏡)の透過画像、反射画像)を生成したり、試料の全面に電子ビームを照射し、透過した電子線をCCD(あるいはCCDカメラ)で検出・増幅した画像(いわゆるSTEM(透過型電子顕微鏡)の透過画像)を生成したりしてもよい。
図1において、マスクマガジン1は、試料であるマスク2を多数、収納する、内部が清浄な(クリーンな)マガジンである。
マスク2は、半導体パターンなどの露光用のマスクである。
予備室3は、マスクマガジン1を装着し、清掃な状態で当該マスクマガジン1内のマスク2を取り込んで一時的に保管したり、処理済のマスク2を清掃な状態で当該マスクマガジン1内に搬送するための部屋である。予備室3は、通常は大気圧であるが、必要に応じてマスク2を取り込んでマスクマガジン1との境の図示外のゲートを閉めて低真空(大気圧から0.1Torr程度の低真空)に真空排気するようにしてもよい。尚、特許請求の範囲の軟X線をマスク2に照射する「部屋」は、図1のメインチャンバー6(特許請求の範囲では「試料室」という)以外のサブチャンバー5、予備室3などのX線発生器4を装着する部屋である。
X線発生器4は、軟X線を発生してマスク2を照射し、当該マスク2の電荷を除電するためのものである(図3、図4参照)。
サブチャンバー5は、マスク2の周囲を低真空に排気するための部屋あって、ここでは、予備室3とメインチャンバー6との間に設けた部屋である。
メインチャンバー6は、マスク2をステージ9に載置し、荷電粒子光学系8で、ここでは、細く絞った電子線ビームで試料である当該マスク2の表面を走査(XおよびY方向に面走査)し、放出された2次電子を2次電子検出器7で検出・増幅し画像(2次電子画像)を生成するための真空(通常は10−6Torr位)の部屋である。
2次電子検出器7は、マスク2から放出された2次電子を検出・増幅するものであって、正の電圧を印加してマスク2から放出された2次電子を収集して検出・増幅するものである。尚、マスク2から放出された反射電子や光やX線を検出する場合には、2次電子検出器7の代わりに、それぞれに対応する検出器(反射電子検出器、光検出器、X線検出器)を設ける。
荷電粒子光学系8は、荷電粒子を発生させてマスク2に照射するものであって、SEMの場合には電子線を発生して細く絞ってマスク2の表面を面走査(XおよびY方向に走査)するためのものである。STEMの場合には電子線を発生してマスク2の全面に照射するものである。
ステージ9は、マスク2を載置し、X方向およびY方向に移動する台である。ステージ9に載置したマスク2のX方向およびY方向の移動量は、図示外のレーザ干渉計などにより高精度にその位置をリアルタイムに計測し、パソコン(制御部)11が計測した位置情報をもとに所定の位置に制御するようにしている。
画像10は、マスク2を電子ビームで平面走査して2次電子を検出・増幅し、輝度変調した画像(いわゆる2次電子画像)などをディスプレイ上に表示したものである。
パソコン(制御部)11は、図1に図示の装置の全体を制御する制御部であって、ここでは、X線照射手段12などから構成されるものである(例えば図2のフローチャートに従い制御を行うものである)。
次に、図2のフローチャートの順番に従い、図1の構成の動作を詳細に説明する。
図2は、本発明の動作説明フローチャートを示す。
図2において、S1は、マスク2をマスクマガジン1にセットする。これは、図1の装置でパターン寸法を測長しようとするマスク2をマスクマガジン1にセット、あるいは図示外のクリーンルーム内で図1の装置でパターン寸法を測長しようとする対象のマスク2をマスクマガジン1にセットし、図示の位置に装着する。
S2は、予備室3に搬送する。これは、S1でマスクマガジン1にセットされたマスク2を図示外の機構(ロボット)で取り出し、予備室3の図示のマスク2の位置に搬送する。そして、必要に応じて、大気から0.1Torrの範囲内の所定の圧力に調整する(あるいは所定のガス(酸素、窒素、不活性ガスあるいはこれらの混合ガスで所定圧力に調整する)。
S3は、X線照射する。これは、S2で予備室3に搬送したマスク2の上方から、X線発生器4(後述する図3参照)から軟X線を所定時間、照射し、マスク2の表面近傍に正イオンおよび負イオンを生成し、マスク2の表面の電荷を除電(中和)する。ここで、マスク2を軟X線で照射する強さはX線発生器4とマスク2との距離を調整し、照射する時間は軟X線を発生させる時間を調整する(図1のパソコン(制御部)11を構成するX線照射手段12が調整する)。距離は通常30cmから1.5mであり、照射時間は20秒から60秒である(これら距離、照射時間は上記例に限られることなく、実験でマスク2の電荷が除電される最適な値を求めて任意に決める)。ここで、レジスト付マスク2の場合には軟X線の照射による当該マスク2のパターンへの影響(寸法の変化など)を避けるために若干少ない(例えば距離を1m以上離す、あるいは照射時間を例えば20秒と短く)し、一方、レジスト付でないマスク2の場合には当該マスク2の電荷が十分に中和(除電)されるように若干多めに(例えば距離を1m以下、あるいは照射時間を例えば30秒と若干長く)する。また、実験では、軟X線の強度は15mSV/h程度を用いた(SVはシーベルト、hは時間、1m離れた位置での数値であって、胸部健康診断のレントゲン撮影に用いる強度の約5000分の1です)。尚、本発明では、軟X線を用いるためにガラスや薄い金属で容易に遮蔽でき、外部に漏洩しないようにする。
S4は、サブチェンバー5に移送する。これは、S3でX線照射してマスク2の電荷を除電(中和)した後、マスク2を図1のサブチェンバー5に移送する。そして、予備排気し、メインチャンバ6との間の図示外の仕切弁を開にしても当該メインチャンバー6の圧力が動作に影響しない程度に真空排気(予備排気)する。
S5は、メインチャンバー6で作業を行う。例えばメインチャンバー6のステージ9にマスク2を載置し、荷電粒子光学系8から細く絞った電子ビームを当該マスク2に照射した状態で当該電子ビームを平面走査し、放出された2次電子を2次電子検出器7で検出・増幅し画像(2次電子画像)10を表示する。そして、画像10上でマスク2の所定のパターンの寸法を測長などする。
S6は、X線の照射が要か判別する。これは、S5の作業中(測長中)に、現在測長中の場所、あるいは定期的に表示させる特定の場所の
・画像の色調(白黒の色調)が所定以上変化
・画像の位置が所定以上移動
などした場合に、帯電したと判断し、X線の照射が要(帯電した電荷の除電(中和)の要)か判別する。YESの場合には、S3に戻り、X線照射してマスク2の電荷の除電などを行い、S4、S5で再度、作業を再開する(一時的に中止した場所から再開、あるいは所定前あるいは最初から作業を開始する)。一方、S6のNOの場合には、X線の照射不要と判別されたので、S7で外部に取り出す(図1のメインチャンバー6内のマスク2をサブチャンバ−5、予備室3を経由してマスクマガジン1に搬送して収納する)。尚、S6のNOのマスク2の作業の終了した後、マスク2が予備室3に搬送されたときに、S3と同様にしてX線をマスク2に照射し、当該マスク2に電子線ビームを照射して作業したときの電荷を完全に除電(中和)した後、マスクマガジン1に収納するようにしてもよい。即ち、
・マスク2をメインチャンバー6に搬送する前に軟X線を照射して電荷を除電(中和)
・マスク2をメインチャンバー6のステージ9に載置して作業中に、一時的に作業を停止し、予備室3に戻して(あるいはメインチャンバー6内で)所定雰囲気中にして軟X線を照射し電荷を除電した後、再度、作業を再開する。
・マスク2をメインチャンバー6のステージ9に載置して作業終了後に、予備室3に戻して軟X線を照射して電荷を完全に除電した後、マスクマガジン1に収納する。そして、次の工程に進む。
以上によって、マスク2をメインチャンバー6のステージ9に載置する前に軟X線を当該マスク2に照射して電荷を除電したり、マスク2をステージ9に載置して作業中に当該作業を一時的に停止してマスク2に軟X線を照射して電荷を除電した後に作業を再開したり、作業終了後にマスク2に軟X線を照射して電荷を除電したりすることが可能となる。
尚、軟X線のマスク2への照射は、予備室3で行ったが、サブチャンバー5、更に、メインチャンバー6を大気圧から0.1Torr程度の雰囲気(空気、酸素、窒素、不活性ガスあるいはこれら2つ以上の組み合わせガスの雰囲気)にして当該軟X線を照射して電荷の除電を行うようにしてもよい。
図3は、本発明のX線発生器の例を示す。図示のX線発生器4は、反射型であって、ランプの形態を持つものである。反射型X線発生器4は、電子源41で発生された電子を、加速電極42で加速(例えば数KVから百数十KVで加速)および集束してターゲット(タングステン)44に照射し、ターゲット44から下方に反射する態様で放出された軟X線(数Kvから百数十KVに加速した電子をターゲット44に照射したときに放出される連続した軟X線あるいは更に特性X線を含めた軟X線)を薄いベリリウム板46(当該ベリリウム板46の内部は真空であるので、軟X線の吸収が小さい材料である当該ベリリウム板46)を介して外部(大気圧あるいは所定減圧した圧力)に取り出すものである。
以上の構造をランプ形状の図示の反射型X線発生器4に持たせることにより、軟X線を容易に生成して取り出し、図1の構造のもとでマスク2の表面の全体に照射することが可能となる。
図4は、本発明の説明図を示す。これは、X線発生器44のX線取り出し口(ベリリウム板)46から取り出した軟X線を試料(マスク)2の表面に照射した場合、試料2の表面の近傍に、軟X線で照射された空気の分子(原子)が励起されて正イオン(+イオン、正の電荷を持つ空気の分子(原子))および負イオン(−イオン、負の電荷(電子)を持つ空気の分子(原子))が生成され、試料2の表面の帯電した負電荷(電子)は正イオンで中和(除電)される。一方、試料2の表面に帯電した正電荷は負イオンで中和(除電)される。
以上のように、X線発生器4から放出された軟X線を試料(マスク)2の表面あるいはその近傍を照射すると、試料2の表面の近傍に、正イオンおよび負イオンの両者が生成され、試料2の電荷(正電荷、負電荷)のいずれも除電(中和)することが可能となる。
この際、試料(マスク)2の表面の近傍の雰囲気は、空気、酸素、窒素、窒素、不活性ガスなどの1つあるいは2つ以上を混合したガスについて、圧力を大気圧から0.1Torr程度の範囲内に保持した状態で、軟X線を試料2に照射することで正イオンおよび負イオンを効率的に生成し、試料2の電荷を除電(中和)できる。
本発明は、荷電粒子線を試料に照射して当該試料から放出される2次電子線などを検出して画像を生成する荷電粒子線装置において、予備排気室あるいは試料室中などで電子線等で帯電した試料の表面あるいは近傍を大気あるいは減圧雰囲気あるいは所定ガス雰囲気に保持した状態で、軟X線を照射して正イオンおよび負イオンの生成効率を高めて当該試料の表面の電荷を効率的に除電する荷電粒子線装置および荷電粒子線像生成方法に関するものである。
本発明のシステム構成図である。 本発明の動作説明フローチャートある。 本発明のX線発生器例である。 本発明の説明図である。
符号の説明
1:マスクマガジン
2:マスク
3:予備室
4:X線発生器
5:サブチャンバー
6:メインチャンバー
7:2次電子検出器
8:荷電粒子光学系
9:ステージ
10:画像
11:パソコン(制御部)
12:X線照射手段

Claims (9)

  1. 荷電粒子線を試料に照射するレンズ系と、荷電粒子線で前記試料を照射し放出あるいは透過した電子線などを検出して画像を生成する画像生成手段とを備えた荷電粒子線装置において、
    前記試料を収納する試料室あるいは所定の部屋に配置し、当該試料あるいは当該試料の近傍を、軟X線で照射する軟X線発生器と、
    前記試料室あるいは前記部屋を所定雰囲気にした状態で、前記軟X線発生器を制御して発生させた軟X線を前記試料あるいは前記試料の近傍に照射して正イオンおよび負イオンを生成し、当該試料の表面の電荷の除電を制御する手段と
    を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
  2. 前記試料の画像を生成する前あるいは画像の生成を終了した後あるいは両者で、前記軟X線を当該試料あるいは当該試料の近傍に照射して除電することを特徴とする請求項1記載の荷電粒子線装置。
  3. 前記試料の画像を生成中に、当該画像の生成を一時的に停止し、前記軟X線を当該試料あるいは当該試料の近傍に照射して除電した後、画像の生成を再開することを特徴とする請求項1あるいは請求項2記載の荷電粒子線装置。
  4. 前記軟X線発生器と前記試料との距離を任意に調整する機構を設けたことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の荷電粒子線装置。
  5. 前記軟X線発生装置と前記試料との距離を30cmから150cmの範囲内としたことを特徴とする請求項4記載の荷電粒子線装置。
  6. 前記所定雰囲気として、空気、酸素、窒素、不活性のガスあるいはこれら2つ以上の混合ガスとしたことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載の荷電粒子線装置。
  7. 前記雰囲気の圧力として、大気圧から0.1Torrの範囲内としたことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれかに記載の荷電粒子線装置。
  8. 荷電粒子線を試料に照射するレンズ系と、荷電粒子線で前記試料を照射し放出あるいは透過した電子などを検出して画像を生成する画像生成手段とを備えた荷電粒子線装置において、
    前記試料を収納する試料室あるいは所定の部屋に配置し、当該試料あるいは当該試料の近傍を、軟X線で照射する軟X線発生器を設け、
    前記試料室あるいは前記部屋を所定雰囲気にした状態で、前記軟X線発生器を制御して発生させた軟X線を前記試料あるいは前記試料の近傍に照射して正イオンおよび負イオンを生成し、当該試料の表面の電荷の除電を制御するステップを有する荷電粒子線像生成方法。
  9. 前記試料の画像を生成する前あるいは画像の生成を終了した後あるいは画像生成中に当該画像の生成を一時的に停止してあるいは前記2つ以上で、前記軟X線を当該試料あるいは当該試料の近傍に照射して除電することを特徴とする請求項8記載の荷電粒子線像生成方法。
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