KR100906030B1 - 전자 빔 치수 측정 장치 및 전자 빔 치수 측정 방법 - Google Patents

전자 빔 치수 측정 장치 및 전자 빔 치수 측정 방법 Download PDF

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Abstract

[과제] 시료 표면의 전위를 일정하게 하여 정확하게 시료를 측정할 수 있는 전자 빔 치수 측정 장치 및 전자 빔 치수 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
[해결 수단] 전자 빔 치수 측정 장치는, 전자 빔을 시료의 표면에 조사하는 전자 빔 조사 수단과, 시료로부터 방출되는 전자를 검출하는 검출 수단과, 시료와 검출 수단의 이차 전자 제어 전극 간의 거리를 측정하는 거리 측정 수단과, 시료를 올려두는 스테이지와, 거리 측정 수단으로 하여금 측정하도록 한 거리가 미리 정한 일정한 거리가 되도록 스테이지의 높이를 조정하고, 당해 거리가 된 경우에 시료의 표면의 전위가 일정하게 되도록 미리 구한 제어 전압을 검출 수단의 이차 전자 제어 전극에 인가하고, 소정의 가속 전압을 인가하여 전자 빔을 조사시키는 제어 수단을 포함한다. 상기 스테이지는, 시료를 전기적으로 접속하지 않는 보유ㆍ지지 수단과, 시료를 상하 방향으로 이동시키는 이동 수단을 포함해도 좋다.
전자 빔, 전자 빔 치수 측정, 시료, 이차 전자 방출비, 제어 전압, 제어 전 극.

Description

전자 빔 치수 측정 장치 및 전자 빔 치수 측정 방법{ELECTRON-BEAM SIZE MEASURING APPARATUS AND SIZE MEASURING METHOD WITH ELECTRON BEAMS}
도 1은, 본 발명의 실시 형태에서 사용되는 전자 빔 치수 측정 장치의 구성도이다.
도 2는, 도 1에 관한 전자 빔 치수 측정 장치의 거리 측정부를 도시하는 도면이다.
도 3은, 일차 전자의 에너지와 이차 전자 방출비와의 관계를 도시하는 도면이다.
도 4(a), (b)는, 이차 전자 방출비와 시료 표면의 대전의 관계를 도시하는 도면이다.
도 5는, 시료와 이차 전자 제어 전극 간의 거리에 의해 시료 표면이 대전되는 것을 설명하는 도면이다.
도 6은, 치수 측정값의 시간에 따른 변화를 도시하는 도면이다.
도 7은, 이차 전자 제어 전극의 제어 전압을 파라미터로 한 때의 치수 측정값의 시간에 따른 변화를 도시하는 도면이다.
도 8은, 이차 전자 제어 전극의 제어 전압을 결정하는 처리를 도시하는 흐름 도이다.
도 9는, 전자 빔 치수 측정 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 10(a)는, 시료와 이차 전자 제어 전극 간의 거리를 일정하게 한 때의 치수 측정 결과이고, 도 10(b)는, 시료와 이차 전자 제어 전극 간의 거리를 일정하게 하지 않은 때의 치수 측정 결과이다.
[부호의 설명]
100…전자 빔 치수 측정 장치, 1…전자총, 2…콘덴서 렌즈, 3…편향 코일, 4…대물 렌즈, 5…XYZ 스테이지, 6…시료 지지부, 7…시료, 8…전자 검출기, 9…전자 빔, 10…전자 주사(走査)부, 15…전자 경통(鏡筒)부, 16…시료실, 20…제어부, 30…신호 처리부, 40…표시부, 41…일차 전자, 42, 43…이차 전자, 50…거리 측정부, 51…거리 측정실, 52…비접촉형 측정 장치.
[기술분야]
본 발명은, 전자 빔을 시료에 조사하여 시료를 관찰하는 전자 빔 치수 측정 장치 및 전자 빔 치수 측정 방법에 관한 것이다.
[배경기술]
반도체 장치의 제조 공정에 있어서, 전자 현미경 등의 전자 빔 장치에 의한 시료의 관찰이나, 패턴의 선폭(線幅) 등의 측정이 행해지고 있다. 전자 빔 장치에 의한 시료의 관찰이나 측정에서는, 관찰하는 부분에 전자 빔을 조사(照射)시키면서 주사(走査)하여, 이차 전자 등의 전자량을 휘도(輝度)로 변환하여 표시 장치에 화상으로서 표시하고 있다.
이와 같이 시료를 관찰하거나 측정하는 중에, 전자 빔을 조사하지만, 이 전자 빔의 조사에 의해 시료 표면이 대전되는 현상이 발생한다. 즉, 시료에 입사하는 하전 입자와 방출되는 하전 입자가 갖는 전하의 차이에 의해, 조사면이 양 또는 음으로 대전된다. 시료 표면에 대전이 발생하면, 방출된 이차 전자가 가속되거나, 시료로 되돌려지거나 하여 이차 전자 방출의 효율이 변화한다. 그 결과, 시료 표면의 화상의 질이 불안정해지는 문제가 있다. 또한, 시료 표면의 대전이 진행되면, 일차 전자 빔을 편향시키고, 화상에 왜곡을 생성시켜 버리는 경우가 있다.
이러한 문제에 대해, 시료 상의 대전을 방지하는 방법이 다양하게 제안되고 있다.
이에 관한 기술로서, 특허문헌 1에는, 이차 전자의 수율이 1보다 커지는 가속 전압과 1보다 작아지는 가속 전압을 이용하여, 시료 표면의 대전을 제어하는 방법이 개시되고 있다. 또한, 특허문헌 2에는, 시료 표면으로부터 방출되는 2차 전자를 시료 바로 위의 전극 전압으로 밀어 냄으로써 시료 표면 전위가 플러스 방향으로 진행하는 것을 억제하는 방법이 개시되고 있다.
[특허문헌 1] 일본특허출원공개 2003-142019호 공보
[특허문헌 2] 일본특허출원공개 2006-54094호 공보
[발명이 해결하고자 하는 기술적 과제]
상기한 바와 같이, 전자 빔 장치에 있어서의 시료의 관찰에 있어서, 시료가 대전되는 현상이 발생하지만, 예를 들면 웨이퍼(wafer)와 같이 시료를 전기적으로 접속할 수 있는 경우에는, 전기적으로 접속된 웨이퍼상의 도체를 접지시킴으로써, 시료의 대전 현상을 방지할 수 있고, 특별히 문제는 되지 아니한다.
그러나, 시료가 비도전성인 경우나, 도전성의 재료가 사용되고 있더라도 접지시킬 수 없고, 전기적으로 변동하는 경우에는 시료의 대전 현상이 발생한다.
예를 들면, 반도체의 노광(露光)의 원반(原盤)으로서 이용되는 포토 마스크(photo mask)의 치수를 측정하는 경우에, 다음의 두 가지의 상태에서, 대전이 발생해 버린다. 첫 번째는, 배선의 제조 도중의 과정인, 유리 기판상의 전체에 크롬 등의 도체가 있고, 그 위로 크롬에 배선을 에칭하기 위한 레지스터 배선이 있는 상태이다. 두 번째는, 배선의 제조 공정이 완료된 상태이며, 유리 기판상에 크롬 등의 도체로 된 배선이 있는 상태이다.
특히, 크롬을 에칭하기 직전의 상태에서는, 유리 기판상의 전체에 크롬 등의 도체의 층이 있으므로, 어떤 장소에서 전자 빔을 조사하여 대전이 발생하면, 기판상의 전체의 도체의 층이 대전되므로, 다른 장소의 관찰이나 치수 측정에도 영향을 미치게 된다. 또한, 하나의 장소에서의 대전이 아주 작더라도, 수백~수천의 장소에 전자 빔을 조사하면, 최종적으로는 큰 대전이 되고, 최초에 측정한 치수와 최후에 측정한 치수의 상호 관계가 얻어지지 않게 되어버린다.
이러한 치수의 변화로서, 예를 들면, 전자 빔의 조사 에너지가 1500[eV]인 경우, 시료 표면 전위가 10[V] 변화하면 2[㎛]의 치수가 6[㎚] 변동한다는 것이 발명자의 실험에 의해 확인되었다.
이에 대해, 전자 빔 치수 측정 장치에 대한 치수 정확도는 2[㎛]에 대해 오차 1[㎚] 이하가 되도록 요구되고 있다. 따라서, 조사 에너지가 1500[eV]인 경우는, 허용되는 시료 표면의 전위 변화는, 1. 7[V] 정도가 허용 범위이다.
또한, 배선 묘화 프로세스의 일 과정인 레지스트(resist) 재료의 치수 측정에 있어서는, 레지스트 재료의 손상을 피하기 위해, 전자 빔의 조사 에너지를 500[eV] 정도까지 낮추는 것이 일반적이다. 이 경우, 치수 정확도의 요구를 만족시키기 위해서는, 시료 표면의 전위 변동을 약 0. 6[V] 이하로 할 필요가 있다.
게다가, 레지스트 재료에 의해서는 전자 빔에 의한 손상 감도가 높으므로, 조사 에너지를 400[eV]에서 300[eV] 정도까지 낮출 필요가 있고, 시료 표면의 전위 변동은 최대한 0[V]에 근접하는 것이 바람직하다.
또한, 상기한, 이차 전자를 이용하여 시료 표면의 대전을 제어하는 방법으로는, 시료 표면의 전위를 1[V] 이하의 정확도로 일정하게 하는 것은 곤란하다.
본 발명은, 이러한 종래 기술의 과제를 고려하여, 시료 표면의 전위를 1[V] 이하로 일정하게 하여 정확하게 시료를 측정할 수 있는 전자 빔 치수 측정 장치 및 전자 빔 치수 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
[발명을 해결하기 위한 수단]
상기한 과제는, 전자 빔을 시료의 표면에 조사하는 전자 빔 조사 수단과, 상기 시료로부터 방출되는 전자를 검출하는 검출 수단과, 상기 시료와 상기 검출 수단의 이차 전자 제어 전극 간의 거리를 측정하는 거리 측정 수단과, 상기 시료를 올려두는 스테이지와, 상기 거리 측정 수단으로 하여금 측정하게 한 상기 거리가 미리 정한 일정한 거리가 되도록 상기 스테이지의 높이를 조정하고, 당해 거리가 된 경우에 상기 시료의 표면의 전위가 일정하도록 미리 구한 제어 전압을 상기 검출 수단의 이차 전자 제어 전극에 인가하며, 소정의 가속 전압을 인가하여 상기 전자 빔을 조사시키는 제어 수단을 포함하는 전자 빔 치수 측정 장치에 의해 해결한다.
상기한 전자 빔 치수 측정 장치에 있어서, 상기 제어 전압은, 상기 시료와 재질이 동일한 교정 시료의 표면이 대전되지 않은 상태에서 치수 측정한 값을 제1의 측정값으로 하고, 상기 교전 시료의 표면이 대전된 상태에서 상기 전자 빔의 조사와 치수 측정을 교대로 행하고, 측정값에 변화가 없어진 때의 값을 제2의 측정값으로 한 경우에, 상기 제1의 측정값과 제2의 측정값이 동일한 때의 전압이어도 좋다.
또한, 상기한 전자 빔 치수 측정 장치에 있어서, 상기 제어 수단은, 상기 전자 빔 조사 수단으로 하여금, 상기 전자 빔을 시료의 표면 전체에 조사하도록 해도 좋고, 상기 전자 빔 조사 수단으로 하여금, 상기 전자 빔을 상기 시료 상의 도체가 노출되어 있는 범위에 조사하도록 하여도 좋다.
또한, 상기한 과제는, 시료와 이차 전자 제어 전극의 간격을 미리 정한 일정한 거리로 하고, 상기 시료에 조사하는 전자 빔의 가속 전압을 소정의 값으로 한 때에, 상기 시료의 대전 전위를 일정하게 하기 위한 이차 전자 제어 전극에 인가할 제어 전압을 구하는 단계와, 상기 시료와 이차 전자 제어 전극의 간격을 상기 소정의 거리로 조정하는 단계와, 상기 제어 전압을 상기 이차 전자 제어 전극에 인가하여 시료 상에 상기 가속 전압의 전자 빔을 조사하는 단계와, 상기 전자 빔을 조사한 후, 상기 시료의 치수 측정을 행하는 단계를 포함하는 전자 빔 치수 측정 방법에 의해 해결한다.
본 발명에서는, 측정 대상의 시료의 표면과 이차 전자 제어 전극 간의 거리를 소정의 일정한 값으로 하고, 이차 전자 제어 전극에 미리 구한 전압을 인가하여 전자 빔을 조사한다. 이차 전자 제어 전극에 인가하는 전압은, 시료의 표면과 이차 전자 제어 전극 간의 거리를 소정의 일정한 값으로 한 경우에, 시료 표면의 전위가 일정하도록 조정된 전압이다. 시료의 표면과 이차 전자 제어 전극 간의 거리를 일정하게 함으로써, 시료 표면에서 나오는 전자에는 일정한 힘이 작용하고, 표면에서 나온 전자가 시료 표면으로 되돌아가는 비율도 일정하게 된다. 이로써, 시료 표면의 전위가 일정하게 유지되고, 전자 빔의 궤도가 일정해지고, 전자 빔의 조사 범위가 일정하게 된다.
이하, 본 발명의 실시의 형태에 대해서, 도면을 참조하여 설명한다.
먼저, 전자 빔 치수 측정 장치의 구성에 대해 설명한다. 다음으로, 본 발명의 특징인 시료 표면의 전위를 일정하게 하는 처리에 대해서 설명한다. 다음으로, 전자 빔 치수 측정 장치를 이용한 전자 빔 치수 측정 방법에 대해 설명한다. 마지막으로, 본 발명의 전자 빔 치수 측정 방법에 의해 치수를 측정한 실시예에 대해 설명한다.
(전자 빔 치수 측정 장치의 구성)
도 1은, 본 실시 형태에 관한 전자 빔 치수 측정 장치의 구성도이다.
이 전자 빔 치수 측정 장치 100은, 전자 주사부 10과, 신호 처리부 30과, 표시부 40과, 거리 측정부 50과, 전자 주사부 10, 신호 처리부 30, 표시부 40 및 거리 측정부 50의 각 부를 제어하는 제어부 20로 크게 구분된다. 이 중, 전자 주사부 10은, 전자 경통부(원주) 15와 시료실 16으로 구성된다.
전자 경통부 15는, 전자총(전자 빔 조사 수단) 1과 콘덴서 렌즈 2와 편향 코일 3과, 대물 렌즈 4를 포함하고, 시료실 16은, XYZ 스테이지 5와 절연물로 구성되는 시료 지지부 6을 포함하고 있다.
시료실 16에는 XYZ 스테이지 5를 이동시키기 위한 모터(도시되지 않음), 및 시료실 16 내를 소정의 감압 상태로 보유 및 지지하기 위한 진공 배기 펌프(도시되지 않음)가 각각 접속되어 있다.
전자총 1로부터 조사된 전자 빔 9를 콘덴서 렌즈 2, 편향 코일 3, 대물 렌즈 4를 통해, XYZ 스테이지 5 상의 시료 7에 조사하도록 되어 있다.
전자 빔 9가 조사되어서 시료 7로부터 나온 이차 전자 또는 반사 전자의 양은, 이차 전자 제어 전극 8a나 신틸레이터(scintillator) 등으로 구성되는 전자 검출기 8에 의해 검출되고, 신호 처리부 30에 있어서 그 검출량이 AD 변환기에 의해 디지털 양으로 변환되고, 나아가 휘도 신호로 변환되어 표시부 40에서 표시된다. 편향 코일 3의 전자 편향량과 표시부 40의 화상 주사량은 제어부 20에 의해 제어된다.
제어부 20은 마이크로 컴퓨터로 구성되고, 측장(測長)을 실행하기 위한 프로그램이 격납(格納)되어 있다. 또한, 제어부 20은 전자 빔 9의 가속 전압을 결정하고, 전기적으로 접속되어 있는 전자총 1에 대해서 가속 전압을 인가한다.
도 2는, 거리 측정실 51을 포함하는 전자 빔 치수 측정 장치 100을 도시하는 도면이다. 거리 측정실 51에서는, XYZ 스테이지 5 상의 시료 7의 높이를 측정한다. 이 측정에는 시료 7과 접촉하지 않는 비접촉형 측정 장치 52를 사용한다. 본 실시 형태에서는, 시료실 16과는 별도로 거리 측정실 51을 설치하고, XYZ 스테이지 5를 거리 측정실 51에 이동시켜 시료 7의 높이를 측정하도록 하고 있다. 비접촉형 측정 장치 52로서, 예를 들면 CCD 카메라를 사용하고, CCD 카메라의 오토 포커스(auto focus) 기구에 의해, 초점이 맞은 위치를 검지(檢知)함으로써 시료 7의 높이를 측정한다.
또한, 시료 7의 높이의 측정은, CCD 카메라를 사용하는 장치에 한하지 않고, 시료 전위에 의하여 초점 위치에 오차를 일으키지 않는 측정 장치라면 무방하다.
상기와 같이 구성한 전자 빔 치수 측정 장치 100에 있어서, 시료 지지부 6을 거쳐서 XYZ 스테이지 5 상에 올려두어진 시료 7의 관찰 또는 측장을 하기 전에, 시료 7과 같은 재질의 교정 시료를 이용하여, 중화 샤워(shower) 조건을 결정한다. 중화 샤워 조건은, 시료 7 표면의 전위를 일정하게(예를 들면 0[V]) 하기 위한 중화 샤워(전자 빔의 조사)에 필요하고, 전자 빔의 가속 전압, 시료 표면과 이차 전자 제어 전극 간의 거리(기준 거리), 및 이차 전자 제어 전극에 인가하는 전압값(기준 전압)이다. 이러한 조건을 결정한 후, 시료 7과 이차 전자 제어 전극 간의 거리를 기준 거리로 설정하고, 이차 전자 제어 전극에 기준 전압을 인가하여, 시료 7의 중화 샤워를 행한다.
(시료의 표면의 전위를 일정하게 하는 처리)
시료 7의 관찰 또는 측장에 앞서서 행하는 중화 샤워에 의해, 시료 7의 표면의 전위를 일정하게 할 수 있다. 이 원리에 대해 이하 기술한다.
도 3은, 일차 전자의 에너지와 이차 전자 방출비와의 관계를 모식적으로 도시한 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 일차 전자의 에너지를 낮은 에너지로부터 증가시켜 나가면, 이차 전자 방출비도 증가하고, E1에서 1이 된다. 더욱더 일차 전자의 에너지를 증가시키면, Em에서 이차 전자 방출비가 최대가 되고, E2를 넘으면 다시 이차 전자 방출비는 1보다 작아진다. 여기서, E1, Em, E2의 값은, 시료의 재질에 의존하여 변화하지만, Em의 값은 대략 500[eV]에서 1000[eV]의 사이로 되어 있다.
도 4는, 이차 전자 방출비와 절연막 표면의 대전 상태의 관계를 모식적으로 나타낸 것이다. 도 4(a)는, 이차 전자 방출비가 1보다 큰 경우이다. 이차 전자 방출비가 1보다 큰 범위에서는, 시료 7로부터 방출되는 이차 전자 42의 수가 시료에 입사하는 일차 전자 41의 수를 상회하므로, 시료 7의 표면은 양으로 대전된다. 한편, 도 4(b)는, 이차 전자 방출비가 1보다 작은 경우에서, 도 3의 일차 전자 에너지가 E1보다 낮거나, 또는 E2보다 높은 경우에 대응하고 있다. 이차 전자 방출비가 1보다 작은 범위에서는, 시료 7의 표면에 전자가 많이 남으며, 시료 7의 표면은 음으로 대전된다.
일차 전자의 에너지가 충분히 크고, 이차 전자 방출비가 1보다 작은 경우, 시료 7의 표면이 음으로 대전되므로, 일차 전자는 시료 7의 부근에서 감속한다. 이 대전은, 일차 전자가 E2의 에너지까지 감속되고, 이차 전자 방출비가 1에 근접할 때까지 진행되어 진다. 이 때 대전 전압은 E2와 일차 전자 에너지의 차이가 되고, 큰 음의 값(예를 들면, -100[V]를 넘는 값)으로 대전되는 경우도 있다. 이러한 대전이 발생하면, 이차 전자 상(像)이 크게 왜곡되고, 측장 오차가 커진다.
한편, 이차 전자 방출비가 1보다 큰 경우에는 시료 7의 표면이 양으로 대전되지만, 수[V] 대전되면 비교적 양이 많은 수[eV]의 에너지 밖에 갖지 않는 이차 전자 43은 시료 7의 표면으로 되돌려지게 된다. 일차 전자와 표면으로 되돌려진 이차 전자를 합친 입사 전류와 방출되는 이차 전자에 의한 방출 전류가 평형을 이루고, 그 이상 대전이 진행되지 아니한다. 이로 인해, 시료 7의 관찰 등에는 이차 전자 방출비가 1보다 커지는 범위가 채용되고 있다.
이러한 대전 균일화에 있어서, 종래는, 조사 전자빔의 에너지를 변경하여 시료 표면의 전위를 플러스 방향 또는 마이너스 방향으로 대전시키고, 시료 표면의 전위의 변화를 억제하고 있다. 이 때에, 이차 전자 방출비를 1로 하여, 대전을 방지하도록, 가속 전압을 설정하게 하고 있다. 그러나, 시료 7의 재질에 따라 이차 전자 42의 발생 효율이 1이 되는 가속 전압이 다르기 때문에, 가속 전압을 조정하면서 이차 전자 발생 비율이 1이 되도록 하는 가속 전압을 찾아내지 않으면 안 되고, 가속 전압의 설정이 곤란하다. 또한, 이 방법으로는, 1[V] 이하의 정확도로 대전을 제어하는 것은 곤란하다.
본 실시 형태에서는, 시료 7의 표면과 시료 바로 위의 전극(본 실시 형태에서는, 전자 검출기 8의 이차 전자 제어 전극 8a) 간의 거리에 주목하였다.
전자 빔이 조사되고, 시료 7 표면으로부터 발생하는 이차 전자량은, 조사하는 전자 빔의 에너지 및 이차 전자가 받는 힘에 의존한다. 이 힘은, 이차 전자 제어 전극 8a에 인가되는 전압에 의해 발생하는 전계(電界)에 의존하고, 이 전계는, 시료 7 표면과 이차 전자 제어 전극 8a 간의 거리(이하, 「시료-전극간 거리」라고도 한다. ) 및 이차 전자 제어 전극 8a에 인가하는 제어 전압에 의해 결정된다.
따라서, 제어 전압과 시료-전극간 거리를 일정하게 함으로써, 이차 전자가 받는 힘을 일정하게 할 수 있다.
도 5는, 시료 7의 표면과 이차 전자 제어 전극 8a 간의 거리가 일정하지 않은 경우에 발생하는 문제점을 도시하고 있다.
도 5(a)에 도시된 바와 같이, 시료-전극간 거리가 W1인 경우에, 시료 7a 표면의 전위가 0[V]가 되었다고 하자. 이 때, 시료 7a의 표면이 대전되어 있지 않으므로, 시료 7a를 높은 정확도로 측정할 수 있다.
다음으로, 도 5(b)에 도시된 바와 같이, XYZ 스테이지 5에 올려두어진 다른 시료 7b에 대해 치수를 측정한다. 도 5(b)에서는, 시료 7b의 유리 기판의 두께가 도 5(a)의 유리 기판의 두께와 다르고, 시료-전극간 거리가 W2로 변화하고 있다.
시료 표면으로부터 방출되는 전자에 작용하는 힘 F는, 전자의 전하와, 시료 표면과 이차 전자 제어 전극 8a 사이의 전계와의 곱이 된다. 따라서, W2(>W1)인 경우에는, 전자에 작용하는 힘이 약해지고, 시료 7b로 되돌려지는 전자의 양이 많아진다. 이로 인해, 시료 7b의 표면은 마이너스 측으로 대전되게 된다.
한편, 시료-전극간 거리를 일정하게 하고, 제어 전극을 일정하게 하면, 전자에 작용하는 힘이 일정해지므로, 시료 7로 되돌려지는 전자의 양이 일정해지고, 시료 7의 표면 전위가 0[V]가 된다.
이와 같이, 시료 표면과 이차 전자 제어 전극 8a 간의 거리를 일정하게 함으로써, 이차 전자 제어 전극 8a에 인가하는 제어 전압과 전자 빔의 가속 전압의 값을 제어하여, 시료 표면의 전위를 일정하게 할 수 있다.
(시료 표면의 전위를 일정하게 하는 방법)
상기한 바와 같이, 시료 표면으로부터 방출되는 이차 전자는 시료 7과 이차 전자 제어 전극 8a 사이의 전계에 의해 이차 전자 제어 전극 8a에 도달할 것인지, 시료 7 표면으로 되돌려질 것인지가 결정된다. 따라서, 이차 전자의 거동을 일정하게 하기 위해서, 이차 전자 제어 전극 8a에 인가하는 전압 및 시료 7 표면과 이차 전자 제어 전극 8a 간의 거리를 일정하게 하여, 전계가 일정하게 되도록 한다.
도 6은, 시료 표면이 일정 전위가 아닌 경우에, 시료의 측정값이 시간의 경과에 따라 변화하는 모습을 도시하고 있다.
시간 t0에 있어서 측정한 치수가 α라고 하자. 시료 상의 치수 측정을 하는 동안, 시료 상에는 전자 빔이 조사되므로, 시료 표면이 대전되고, 전자 빔의 궤도가 변화한다. 그로 인해, 예를 들면, 도 6에 도시된 바와 같이 시간의 경과와 함께 치수가 크게 측정되게 되어 버린다.
그리고, 시간 t1에 있어서, 시료 표면을 일정 전위로 하기 위해서, 중화 샤워를 실시한다. 이 중화 샤워는, 시간 t0에 있어서의 측정값과 일치할 때까지 행한다. 도 6에서는, 시간 t2까지 실시함으로써, 시간 t0의 상태로 돌아가게 된다. 그 후, 시료 상의 치수 측정, 중화 샤워를 반복하여 행한다.
도 7은, 이차 전자 제어 전극 8a에 인가되는 제어 전압을 파라미터로 하는 치수 측정값의 시간 변화를 도시하고 있다.
시간 t0에 있어서의 치수 측정값을 β라고 한다. 이 시점은 도 6의 시간 t1에 대응하고 있다. 이 시점으로부터, 이차 전자 제어 전극 8a에 소정의 전압을 인가하여, 안정된 측정값을 구한다.
도 7의 L2는, 시료 표면이 0[V]가 되고, 측정값이 α가 되는 것을 나타내고 있다. 또한, 도 7의 L1, L3는, 시료 표면이 플러스 또는 마이너스로 대전되고, 측 정값이 α가 되지 않는 것을 나타내고 있다.
측정값이 안정되는 것은, 시료에의 입사 전류와 시료로부터 나오는 방출 전류가 평형을 이루고, 대전이 진행되지 않기 때문이다. 따라서, 시료 표면의 대전은 진행되지 않게 되지만, 시료 표면이 0[V]가 된다고는 할 수 없고, 도 7의 L1 또는 L3와 같이, 측정값이 α가 된다고는 할 수 없다.
따라서, 이차 전자 제어 전극 8a의 제어 전압을 변경하여, 이차 전자가 받는 힘을 변화시키고, 시료 표면의 전위가 0[V]가 되도록 하는 제어 전압을 구한다. 이 제어 전압, 전자 빔의 가속 전압, 및, 시료 7과 이차 전자 제어 전극 8a 간의 거리를 사용함으로써, 시료 표면의 대전을 진행시키지 않고, 나아가 시료 표면의 전위를 0[V]로 할 수 있다.
이하, 중화 샤워 조건을 결정하는 방법에 대해, 도 8의 흐름도를 이용하여 설명한다.
중화 샤워 조건을 결정하는 전제로서, 전자 빔의 가속 전압 및, 시료 표면과 이차 전자 제어 전극 8a 간의 거리를 미리 결정해 둔다. 예를 들면, 가속 전압은 500[eV]로 하고, 시료 표면과 이차 전자 제어 전극 간의 거리는 3[mm]로 한다.
우선, 단계 S11에 있어서, 교정 시료를 이용하여 기준 치수를 측장한다. 이 교정 시료는 측장 대상으로 하는 시료 7과 재질이 같은 것으로 한다.
교정 시료는, 기판 전체가 도체로 구성되고, 치수가 이미 알려진 것으로 한다. 이 교정 시료를 접지하여 시료 표면의 전위를 0[V]로 하고, 시료 표면의 전위가 변동하기 전에 측장하여, 기준 치수로 한다. 측장은, 시료 상에 전자 빔을 조 사하면서 주사(走査)하고, 화상을 취득하고, 취득한 화상으로부터 치수를 측정한다.
또한, 교정 시료는, 기판 전체를 도체로 구성한 것뿐만 아니라, 스테이지 상에서 일시적으로 접지하는 기구를 갖는 것이면 무방하다. 스테이지 상에서 일시적으로 접지하는 기구를 갖는 교정 시료를 사용하는 경우에는, 접지 상태에서 기준이 되는 치수를 측정하도록 한다.
다음의 단계 S12에서는, 교정 시료의 접지를 떼어낸다. 접지를 떼어낸 때로부터, 시료 표면은 플러스 또는 마이너스 방향으로 대전이 진행된다.
다음의 단계 S13에서는, 이차 전자 제어 전극에 인가하는 전압을 소정의 값, 예를 들면 -50[V]로 설정한다.
다음의 단계 S14에서는, 이차 전자 제어 전극의 소정의 전압을 인가하고, 전자 빔을 소정의 시간, 예를 들면 10초 동안 조사한다.
다음 단계 S15에서는, 시료의 전자 현미경상을 취득하여, 교정 시료의 측장을 한다. 교정 시료의 측장에 있어서의 이차 전자 제어 전극에 인가하는 전압은, 단계 S13에서 조정되어 단계 S18에서 결정하는 전압과는 다르고, 전자 빔의 분해능(分解能)이 충분히 높고, 이차 전자의 포획 효율이 높은 측장에 적합한 전압값으로 한다.
다음 단계 S16에서는, 교정 시료의 측장값이 안정되었는지 아닌지를 판정한다. 표정 시료의 측장은, 단계 S14에 있어서, t=0로부터 소정의 시간 n만큼 전자 빔을 조사한 후, 단계 S15에서 측장을 한다. 따라서, 측장 시간은, t=n, 2n, 3n, …이 된다. 예를 들면, 2n의 시점의 측장값과 3n의 시점에서의 측장값의 차이가 소정의 값, 예를 들면 0. 1[nm]보다 작아진 때, 측장값이 안정되었다고 한다.
측장값이 안정되었다고 판정된 때는, 이 측장값을 단계 S13에서 설정한 제어 전압에 있어서의 측장값으로 하고, 단계 S17로 이행한다. 측장값이 안정되지 않았다고 판정된 때는, 단계 S14로 돌아가고, 다시금 전자 빔을 조사하여 측장을 계속한다.
다음의 단계 17에서는, 측장값과 단계 11에서 구한 기준값을 비교한다. 측장값과 기준값의 차이(D라고 한다)를 구하고, D가 소정의 값, 예를 들면 0. 2[nm]보다 작은지 아닌지를 판정한다. D가 소정의 값보다 작다고 판정된 때, 단계 S18로 이행한다. 한편, D가 소정의 값보다 크다고 판정된 때는, 단계 S13으로 이행하고, 이차 전자 제어 전극에 인가하는 전압을 변경하여, 처리를 계속한다.
다음의 단계 S18에서는, 단계 S13에서 설정한 이차 전자 제어 전극에 인가하는 전압을 중화 샤워 조건의 기준 전압으로 하고, 본 처리는 종료한다.
또한, 시료 상의 중화 샤워 조사 영역은, 측장 영역을 포함하는 것을 기본으로 하지만, 시료 상의 도체가 노출되어 있는 위치를 CAD나 반사 전자상 등으로 검출하고, 그 장소에 중화 샤워를 실시하는 것만으로도 좋다.
또한, 교정 시료의 재질은 측장 대상 시료의 재질과 동일한 것이 바람직하지만, 다른 재질이라도, 동일한 중화 샤워 조건에서 치수의 상관 관계가 얻어지면 적용 가능하다. 본 발명자는, Si와 Cr으로 동일한 중화 샤워 조건에서 치수의 상관 관계가 얻어지는 것을 확인한 바 있다.
(전자 빔 치수 측정 방법)
다음으로, 본 실시 형태의 전자 빔 치수 측정 장치 100을 이용해서 시료 7 상의 전위를 일정하게 하여 시료 7의 측장을 하는 방법에 대해 도 9의 흐름도를 이용하여 설명한다.
우선, 단계 S21에 있어서, 중화 샤워 조건을 결정한다. 이 조건은 도 8에서 설명한 방법에 의해 결정한다.
다음의 단계 S22에서는, 전자 빔의 가속 전압 및 이차 전자 제어 전극에 인가하는 전압을 단계 S21에서 결정한 중화 샤워 조건의 값으로 설정한다.
다음의 단계 S23에서는, 시료를 시료실 16의 XYZ 스테이지 5에 올려둔다.
다음의 단계 S24에서는, XYZ 스테이지 5를 거리 측정실 51로 이동시키고, XYZ 스테이지 5에 올려둔 시료 7의 높이를 측정한다. 시료 7과 이차 전자 제어 전극 8a 간의 거리를 미리 정한 일정한 거리로 하기 위해, XYZ 스테이지 5를 상하 방향 (Z 방향)으로 이동시켜 높이 조정을 행한다. 그 후, 거리 측정실 51로부터 시료실 16으로 XYZ 스테이지 5를 이동시킨다.
다음의 단계 S25에서는, 중화 샤워를 실시한다. 이 중화 샤워를 행하는 시간은, 중화 샤워 조건을 결정한 때에, 측정값이 안정되기까지 걸린 시간이다. 또한, 중화 샤워를 조사하는 범위는, 시료 상의 전체에 전자 빔을 조사하도록 해도 좋고, 시료 상의 도체가 노출되어 있는 부분에 조사하도록 해도 좋다. 시료 상의 도체가 노출되어 있는 부분은, 예를 들면, CAD 데이터를 이용하여 검출한다.
다음의 단계 S26에서는, 중화 샤워를 실시한 후, 시료의 표면이 대전되어 있지 않은 상태에서, 시료의 측장을 행한다. 시료의 측장에 있어서의 이차 전자 제어 전극에 인가하는 전압은, 단계 S21에서 결정한 전압과는 다르고, 전자 빔의 분해능이 충분히 높고, 이차 전자의 포획 효율이 높은 측장에 적합한 전압값으로 한다.
단계 S24에서 단계 S26을 반복하고, 시료 내의 모든 측장점(測長点)을 측정한다.
또한, 시료 전면에서의 높이의 변화가 작으면 단계 S25와 단계 S26을 반복하도록 해도 좋다.
다음의 단계 S27에서는, 측장을 종료한 시료 7을 시험실 16으로부터 꺼낸다.
다음의 단계 S28에서는, 모든 시료의 측장이 종료되었는지 아닌지를 판정한다. 측장이 종료되지 않았다면, 단계 S23으로 돌아가고, 측장을 계속한다.
상기한 바와 같이, 본 실시 형태의 전자 빔 치수 측정 장치를 이용한 측정 방법에서는, 시료의 치수의 측정에 앞서, 시료 상의 전위를 일정하게 하고 있다. 이 전위를 일정하게 하기 위해서, 시료 표면과 이차 전자 제어 전극 간의 거리를 일정하게 한 경우의, 이차 전자 제어 전극에 인가할 제어 전압, 및 전자 빔의 가속 전압을 구한다. 이 중화 샤워 조건으로 시료의 중화 샤워를 행함으로써, 시료의 표면 전위가 0[V]로 일정해지고, 전자 빔이 시료 상의 다른 전위의 영향을 받아 전자 빔의 조사 범위가 변화하는 일이 없이, 안정된 측정을 행하는 것이 가능해 진다.
또한, 본 실시 형태에서는, 시료의 측정을 행할 때마다 시료 표면의 전위 일정화 처리를 행하도록 하였지만, 이에 한하지 않고, 시료 표면의 전위 일정화가 필요한 때에만 행하도록 해도 좋다. 예를 들면, 측장을 5회 행할 때마다 중화 샤워를 하도록 해도 좋다.
또한, 전위를 일정하게 하기 위해서 조사하는 전자 빔을 큰 전류로 하여 빔 조사량을 많게 하도록 해도 좋다. 중화 샤워 조건을 구할 때에, 소정의 가속 전압의 전자 빔을 조사하여, 측장값이 안정되는 시간을 구했지만, 가속 전압을 도 3의 Em에 상당하는 값으로 하여 빔 조사량을 많게 함으로써, 전위가 일정화 될 때까지의 시간을 단축하는 것이 가능해 진다.
(실시예)
이하에서, 본 실시 형태의 전자 빔 치수 측정 장치 100을 이용하여, 시료 7상의 치수를 측정한 결과에 대해 설명한다.
도 10(a)는, 시료와 이차 전자 제어 전극 간의 거리를 일정하게 한 때의 치수 측정 결과이고, 도 10(b)는, 시료와 이차 전자 제어 전극 간의 거리를 일정하게 하지 않은 때의 치수 측정 결과이다.
본 실시예에서는, 재질이 크롬인 경우를 대상으로 하여, 중화 샤워 조건(시료 표면과 이차 전자 제어 전극 간의 거리, 전자 빔의 가속 전압, 이차 전자 제어 전극에 인가하는 전압)을 측정한 결과, 각각 3[mm], 500[V], -50[V]가 되었다.
도 10(a)의 t1, t2의 시점은, 치수 측정의 대상 시료를 변경한 시점을 나타 내고 있다. 상기의 중화 샤워 조건에 의하여 중화 샤워를 행하고, 시료의 치수를 측정한 결과, 도 10(a)로부터 알 수 있듯이, 시료의 높이가 변화한 경우에 있어서도, 시료 표면과 이차 전자 제어 전극 간의 거리를 일정하게 조정함으로써, 치수 측정값 (α´)에 변화가 없다. 이와 같이, 본 실시 형태의 전자 빔 치수 측정 장치를 이용함으로써, 치수 측정을 정확하게 실시하는 것이 가능해 진다.
한편, 도 10(b)는, 본 실시 형태의 전자 빔 치수 측정 방법과의 비교를 위해, 전자 빔의 가속 전압 및 이차 전자 제어 전극에 인가하는 전압은 본 실시 형태의 경우와 동일한 값으로 하고, 시료 표면과 이차 전자 제어 전극 간의 거리를 일정하게 조정하는 처리를 행하지 않고 중화 샤워를 행하여, 치수 측정을 행한 결과이다.
도 10(b)로부터 알 수 있듯이, 시료를 변경한 때(t1, t2의 시점), 시료의 높이가 변화하는 것에 의하여 측정 결과에 변화가 발생하고 있다. 이 결과로부터 알 수 있듯이, 시료 표면과 이차 전자 제어 전극 간의 거리가 변경됨으로써, 측정 오차가 발생하는 것을 알 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서 시료의 높이가 300[㎛] 변화한 경우, 2[㎛]의 치수에 대해 1[nm]의 오차가 생기는 것을 실험에 의해 측정하였다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는, 측정 대상의 시료의 표면과 이차 전자 제어 전극 간의 거리를 소정의 일정한 값으로 하고, 이차 전자 제어 전극에 미리 구 한 전압을 인가하여 전자 빔을 조사한다. 이차 전자 제어 전극에 인가하는 전압은, 시료의 표면과 이차 전자 제어 전극 간의 거리를 소정의 일정한 값으로 한 경우에, 시료 표면의 전위가 일정하도록 조정된 전압이다. 시료의 표면과 이차 전자 제어 전극 간의 거리를 일정하게 함으로써, 시료 표면에서 나오는 전자에는 일정한 힘이 작용하고, 표면에서 나온 전자가 시료 표면으로 되돌아가는 비율도 일정하게 된다. 이로써, 시료 표면의 전위가 일정하게 유지되고, 전자 빔의 궤도가 일정해지고, 전자 빔의 조사 범위가 일정하게 된다.
따라서, 시료 표면의 전위를 일정하게 하여 정확하게 시료를 측정할 수 있는 전자 빔 치수 측정 장치 및 전자 빔 치수 측정 방법을 제공할 수 있다.

Claims (12)

  1. 전자 빔을 시료의 표면에 조사하는 전자 빔 조사 수단과,
    상기 시료로부터 방출되는 전자를 검출하는 검출 수단과,
    상기 시료와 상기 검출 수단의 이차 전자 제어 전극 간의 거리를 측정하는 거리 측정 수단과,
    상기 시료를 올려두는 스테이지와,
    상기 거리 측정 수단으로 하여금 측정하도록 한 상기 거리가 미리 정한 일정한 거리가 되도록 상기 스테이지의 높이를 조정하고, 당해 거리가 된 경우에 상기 시료의 표면의 전위가 일정하도록 미리 구한 제어 전압을 상기 검출 수단의 이차 전자 제어 전극에 인가하며, 소정의 가속 전압을 인가하여 상기 전자 빔을 조사시키는 제어 수단을 포함하되,
    상기 제어 전압은, 상기 시료와 재질이 동일한 교정 시료의 표면이 대전되지 않은 상태에서 치수 측정한 값을 제1의 측정값으로 하고, 상기 교정 시료의 표면이 대전된 상태에서 상기 전자 빔의 조사와 치수 측정을 교대로 행하고, 측정값에 변화가 없어진 때의 값을 제2의 측정값으로 한 경우에, 상기 제1의 측정값과 제2의 측정값이 동일한 때의 전압인 전자 빔 치수 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스테이지는, 상기 시료를 전기적으로 접속하지 않는 보유ㆍ지지 수단과, 상기 시료를 상하 방향으로 이동시키는 이동 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 빔 치수 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 전자 빔 조사 수단으로 하여금, 상기 전자 빔을 시료의 표면 전체에 조사하도록 하는 것을 특징으로 하는 전자 빔 치수 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 전자 빔 조사 수단으로 하여금, 상기 전자 빔을 상기 시료 상의 도체가 노출되어 있는 범위에 조사하도록 하는 것을 특징으로 하는 전자 빔 치수 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 전자 빔 조사 수단으로 하여금 상기 전자 빔의 조사 전자량을, 치수 측정을 행할 때의 조사 전자량보다 많도록 하는 것을 특징으로 하는 전자 빔 치수 측정 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 시료의 표면의 전위를 일정하게 한 후, 상기 시료의 치수 측정을 행하는 것을 특징으로 하는 전자 빔 치수 측정 장치.
  8. 시료와 이차 전자 제어 전극의 간격을 미리 정한 일정한 거리로 하고 상기 시료에 조사하는 전자 빔의 가속 전압을 소정의 값으로 한 때에, 상기 시료의 대전 전위를 일정하게 하기 위한 이차 전자 제어 전극에 인가할 제어 전압을 구하는 단계와,
    상기 시료와 이차 전자 제어 전극의 간격을 상기 미리 정한 거리로 조정하는 단계와,
    상기 제어 전압을 상기 이차 전자 제어 전극에 인가하여 시료 상에 상기 가속 전압의 전자 빔을 조사하는 단계와,
    상기 전자 빔을 조사한 후, 상기 시료의 치수 측정을 행하는 단계를 포함하는 전자 빔 치수 측정 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어 전압은, 상기 시료와 재질이 동일한 교정 시료의 표면이 대전되지 않은 상태에서 치수 측정한 값을 제1의 측정값으로 하고, 상기 교정 시료의 표면이 대전된 상태에서 상기 전자 빔의 조사와 치수 측정을 교대로 행하고, 측정값에 변화가 없어진 때의 값을 제2의 측정값으로 한 경우에, 상기 제1의 측정값과 제2의 측정값이 동일한 때의 전압인 것을 특징으로 하는 전자 빔 치수 측정 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 전자 빔은, 상기 시료의 표면 전체에 조사되는 것을 특징으로 하는 전자 빔 치수 측정 방법.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 전자 빔은, 상기 시료 상의 도체가 노출되어 있는 범위에 조사되는 것을 특징으로 하는 전자 빔 치수 측정 방법.
  12. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 전자 빔의 조사 전자량은, 상기 치수 측정을 행할 때의 조사 전자량보다 많은 것을 특징으로 하는 전자 빔 치수 측정 방법.
KR1020070058561A 2006-06-22 2007-06-14 전자 빔 치수 측정 장치 및 전자 빔 치수 측정 방법 KR100906030B1 (ko)

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