WO2018003493A1 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

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孝宜 加藤
宗大 高橋
周一 中川
博紀 小川
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株式会社 日立ハイテクノロジーズ
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    • H01J2237/2809—Scanning microscopes characterised by the imaging problems involved

Definitions

  • the present disclosure relates to a charged particle beam apparatus, and more particularly, to a charged particle beam apparatus that effectively suppresses image shift that occurs during image acquisition.
  • a charged particle beam device represented by an electron microscope is used.
  • a charged particle beam apparatus for measuring a pattern formed on a semiconductor wafer and inspecting a defect is provided with a stage having large dimensions in the XY direction as the semiconductor wafer becomes larger.
  • high throughput is required for a charged particle beam apparatus used for process management of a mass production process of semiconductor devices.
  • the beam cannot be irradiated to an appropriate position due to image fluctuation (drift) that occurs after moving the stage. There is a case.
  • Patent Document 1 describes a method for calculating an image drift by obtaining a cross-correlation function between two images by performing image processing on a reference image and a comparative image acquired in advance and searching for the maximum intensity position of the cross-correlation function. Has been. According to this method, even in the case of a sample having a periodic structure such as an atomic arrangement, the image drift amount can be accurately calculated according to the shifted period.
  • Patent Document 2 discloses a stage apparatus including a laser length measurement system that can specify the position of a stage.
  • the laser length measurement system is used to solve the problem that the stop position drifts due to thermal expansion due to the thermal change of the ball screw constituting the stage or the contact surface friction change of the ultrasonic motor.
  • a method for correcting the irradiation position of the beam according to the position specification is disclosed.
  • the drift amount is obtained based on the image processing and the position of the stage, but the drift amount is calculated based on the obtained image and the measured value. Therefore, when the drift amount changes with time as the stage is deformed, a correction delay of the drift amount occurs, and a sufficient correction effect cannot be obtained. Furthermore, since the time change of the image drift depends on the moving distance and moving direction of the stage, the wafer measurement point, etc., it is difficult to predict and correct the drift change amount from the image information. Further, there is no mention of a method for correcting the SEM image at the stage deformation.
  • a sample chamber a sample stage disposed in the sample chamber, a charged particle beam source that emits a charged particle beam, and a charge that is discharged from the charged particle beam source
  • a charged particle beam apparatus comprising: a deflector that deflects a particle beam; a focusing lens that focuses a charged particle beam; and a control device that controls the sample stage and the deflector, the control device including the sample stage
  • a charged particle beam apparatus is proposed that calculates a deflection signal supplied to the deflector based on thrust information during driving and a coefficient assigned to each position of the sample stage.
  • Sectional drawing of a charged particle beam apparatus It is the schematic diagram which looked at the XY stage mechanism from the upper part.
  • 7 is a flowchart showing deflection amount correction processing using a correction formula.
  • positioning which detects a stage deformation amount. 5 is a flowchart showing deflection amount correction processing using a sensor.
  • a scanning electron microscope SEM
  • a length measurement SEM is used when evaluating the shape dimensions of a pattern.
  • the length measurement SEM is an apparatus that measures the size and the like by irradiating an electron beam onto a wafer and performing image processing on the obtained secondary electron signal to determine the edge of the pattern from the change in brightness.
  • it is important to obtain a secondary electron image with little noise at a high observation magnification. Therefore, it is necessary to improve the contrast by superimposing a plurality of secondary electron images.
  • it is necessary to accurately position the field of view of the electron microscope on the evaluation target pattern. Therefore, a characteristic pattern existing in the vicinity of the evaluation target pattern is found by matching processing using a template prepared in advance, and visual field alignment is performed on the evaluation target pattern having a known positional relationship with the characteristic pattern ( Hereinafter referred to as addressing).
  • an XY stage capable of positioning a desired measurement position on the wafer at the irradiation position of the electron beam is usually arranged in order to observe and inspect the entire wafer.
  • the X table and the Y table are guided by a linear guide, and are driven in a X direction and a Y direction with respect to the sample chamber by driving a driving mechanism such as a linear motor, respectively.
  • a bar mirror is arranged on the XY table, and a stage position is detected using a position detector such as a laser interferometer to constitute a servo control system.
  • the detected stage position information is fed back to the electron optical system that scans the electron beam to correct the deflection amount of the electron beam, thereby allowing the electron beam to follow the stage vibration and correcting the position displacement of the stage.
  • the measurement point on the wafer cannot be accurately positioned at the beam irradiation position, and the relative position change between the mirror and the wafer from the center of the field of view aligned by addressing. Visual field shift occurs.
  • image drift occurs in the initial image and the subsequent images with different amounts of visual field displacement as the relative position of the wafer measurement point and bar mirror changes over time. This leads to image disturbance such as blurring.
  • the image drift may change according to the moving direction of the stage and the stage coordinates, and the drift can be suppressed by performing appropriate drift correction according to the moving direction and the stage coordinates. It became clear.
  • a charged particle beam apparatus including a stage apparatus capable of performing drift correction in accordance with a moving direction and stage coordinates based on stage thrust information will be described.
  • a sample chamber mainly, a sample chamber, a sample stage disposed in the sample chamber, a charged particle beam source installed on the upper portion of the sample stage, and deflection means (deflection) for deflecting the charged particle beam.
  • Instrument an optical system column having a focusing lens for focusing the charged particle beam, and a control device for controlling the optical system column and the sample stage, the control device comprising the sample stage
  • a charged particle beam apparatus that corrects the irradiation position of a charged particle beam by using thrust information during driving and table information assigned for each combination of stage moving direction and stage coordinates is proposed.
  • the irradiation position correction value (the beam deflection amount and the deflection is determined according to these conditions.
  • the embodiment described below relates to a charged particle beam apparatus such as an SEM and image drift correction of an image acquired by the SEM.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the charged particle beam apparatus according to the present embodiment.
  • an X stage 22 and a Y stage 23 are mounted on a base 7 fixed in the sample chamber 1.
  • a laser interferometer 10x and a mirror 11x for measuring the position of the table in the X direction are installed on the XY stage.
  • the X laser interferometer 10x irradiates the mirror 11x with laser light, and uses the reflected light to measure the relative displacement amount (hereinafter referred to as X laser value) in the X direction between the sample chamber 1 and the X table.
  • a servo control system for the X direction is configured by feeding back the X laser value to the control device 6.
  • a relative displacement in the Y direction of the X table is detected using a laser interferometer (not shown) to constitute a servo control system.
  • the X table is positioned at a desired position in the XY direction, and the entire surface of the wafer 2 is inspected and measured.
  • a column 3 holding an electron optical system is arranged in the sample chamber 1, a column 3 holding an electron optical system is arranged.
  • the column 3 is provided with an electron gun 5 for generating a secondary electron image by the electron beam 4.
  • the generated secondary electrons are detected by the secondary electron detector 17.
  • the secondary electron signal detected by the secondary electron detector 17 is converted into an SEM image by being input to the image processing unit 18.
  • the control device 6 includes an arithmetic processing unit, a linear motor driving amplifier, and the like, and constitutes a servo control system for calculating the driving force of the XY table.
  • the deflection control unit 19 controls the deflection coil 21 using the laser position signal stored in the control device 6 so that the electron beam can follow the stage vibration, and the image shake caused by the stage vibration can be reduced.
  • the wafer 2 can be moved with respect to the sample chamber 1 in the XY plane, and the sample can be imaged by the column 3.
  • FIG. 2 is a schematic view of the XY stage mechanism as viewed from above.
  • a Y table 8y that can freely move in the Y direction via two Y linear guides 12y and 13y is disposed on the base 7, and the Y linear motor 14y generates a thrust in the Y direction relatively. Be placed.
  • An X table 8x that can freely move in the X direction via two X linear guides 12x and 13x is arranged on the Y table 8y, and an X linear motor 14x is arranged to generate thrust in the X direction.
  • the X table 8x can move in the XY directions with respect to the base 7 and the sample chamber 1.
  • the wafer 2 is loaded on the X table 8x.
  • a wafer holding mechanism (not shown) having a holding force such as a mechanical restraining force or an electrostatic force is used.
  • a linear motor is used as the drive mechanism.
  • an actuator that can be used in a vacuum, such as a ball screw or a piezoelectric actuator.
  • the laser interferometer is used for the position detection of the stage, other position detection methods such as a linear scale can also be used.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the state of the rolling element of the linear guide.
  • A is a schematic diagram which shows the state of the rolling element during stage movement. In this region, the stage moves while the rolling element 30 of the linear guide 12 rolls.
  • B is a schematic diagram which shows the state after stage movement. Immediately after the stage is moved, it is not completely stopped, and the rolling element 30 is slightly displaced while being elastically deformed. In the region (b), the rolling friction of the linear guide behaves as a nonlinear spring, so the stage is displaced by several tens to several hundreds of nanometers with a slow time constant of about 1 to 2 seconds.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing the deformation of the mirror.
  • (A) is a schematic diagram when the mirror is not deformed. In this case, the relative positional relationship between the observation points a, b, c on the wafer 2 and the Y mirror 11y is the same.
  • (B) is a schematic diagram when a mirror deform
  • the control device 6 assumes that the X table has moved by ⁇ Y and performs servo control. I do.
  • the position is shifted from the visual field center of the observation point by ⁇ Y.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing the deformation of the wafer.
  • (A) is a schematic diagram when the wafer is not deformed
  • (b) is a schematic diagram when the wafer is deformed.
  • FIG. 5B when the wafer is deformed by ⁇ X in the X-axis direction, a positional shift of ⁇ X occurs between the irradiation electron beam and the observation point.
  • the linear motor is arranged at the end of the table as in the stage of FIG. 2, the influence of the thrust fluctuation becomes non-uniform for each wafer coordinate. Therefore, the amount of deformation at each observation point a, b, c on the wafer coordinate is different. Is different.
  • the deformation amount also depends on the movement amount and the moving direction of the stage, a deformation amount estimation method and a correction method that take these into consideration are necessary.
  • the added value of the deformation amounts of both forms a visual field shift of the SEM image.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of an image without image drift and an image including image drift.
  • (A) is an SEM image without image drift
  • (b) is an SEM image when image drift occurs.
  • the circuit pattern 62 can be captured at the center of the visual field 63 of the SEM image 61 acquired by image processing.
  • the visual field positioning accuracy deteriorates.
  • the visual field shift amount in the X-axis direction is ⁇ X.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing the relationship between stage thrust and image drift.
  • A is a stage thrust waveform. The stage thrust is calculated from a linear motor drive command calculated by the control device 6.
  • B is an image drift waveform. Image drift can be measured by successively capturing a plurality of the same sample pattern and calculating the deviation from the initial image.
  • C is the schematic which shows the image drift characteristic with respect to a stage thrust. By measuring the stage thrust and the image drift, the image drift characteristic with respect to the stage thrust represented by the following equation can be obtained.
  • Xsem kT [Formula 1]
  • Xsem is the X-axis image drift amount
  • T is the thrust of the X-axis linear motor
  • k is a proportional coefficient.
  • the correction formula for the image drift amount is calculated using the stage coordinates and thrust information.
  • Xsem k (X, Y) T [Formula 2]
  • X and Y are the X-axis and Y-axis coordinates at the sample observation point
  • the proportionality coefficient k is a function of X and Y.
  • the image drift amount can be calculated by using a similar polynomial for the Y-axis.
  • FIG. 8 is a flowchart showing deflection amount correction processing using a correction formula.
  • process S801 an observation point on the wafer is determined.
  • step S802 the stage is moved to position the sample pattern to be observed within the field of view of the electron microscope.
  • process S803 imaging with an electron microscope is started.
  • step S804 the image drift amount is estimated using the correction formula 1 or the correction formula 2.
  • step S805 the deflection amount of the electron optical system for correcting the image drift amount is calculated, and the deflection correction is performed.
  • step S806 the imaging of the electron microscope is completed.
  • step S807 an image drift amount at the time of image drift correction is calculated.
  • step S808 it is determined whether the image drift amount is within an allowable range.
  • the correction formula is automatically updated.
  • a function for updating the correction formula may be displayed on the GUI so that the user can execute it at an arbitrary timing.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a correction coefficient table (map) for performing irradiation position correction as described above.
  • the correction coefficient table illustrated in FIG. 13 stores a coefficient (for example, k in equations 1 and 2) and a correction direction for each combination of coordinates (position) and stage movement direction, and the stage movement direction (current Read the measurement position (direction of the next measurement position with respect to the scanning position of the beam) and the coordinates of the next measurement position from the imaging recipe of the electron microscope stored in advance in the memory or the like in the control device 6, and perform the current measurement By substituting the thrust information of the driving mechanism required from the point to the next measurement point into an arithmetic expression as illustrated in Expression 2, a deflection signal to be supplied to the deflector is obtained.
  • a coefficient for example, k in equations 1 and 2
  • a correction direction for each combination of coordinates (position) and stage movement direction
  • the stage movement direction current Read the measurement position (direction of the next measurement position with respect to the scanning position of
  • the correction coefficient table of FIG. 13 can register correction coefficient information for each area (position) when the wafer is divided into areas of i ⁇ j. Further, different coefficients can be registered according to the moving direction of the stage ( ⁇ 1 to ⁇ n in the example of FIG. 13). Furthermore, in the table illustrated in FIG. 13, not only the coefficient but also information regarding the correction direction can be registered. Further, the moving direction of the stage may be obtained from the current measurement position and the coordinate information of the next measurement position using a trigonometric function.
  • a table as illustrated in FIG. 13 is prepared, an area to which the next measurement position belongs is selected, and thrust is extracted from movement information of the stage registered in advance in the recipe, and the operation of the stage up to the measurement position By obtaining the correction amount according to the above, it becomes possible to correct the irradiation position of the beam according to the operating condition of the stage.
  • FIG. 9 is a flowchart showing image drift map creation processing.
  • process S901 an observation point on the wafer is determined.
  • the observation points on the wafer are defined in a grid at regular intervals. If there is a part that is greatly affected by deformation, the correction accuracy may be improved by finely dividing the grid around the coordinates.
  • process S902 the stage is moved with respect to the coordinates determined in S901, and the sample pattern to be observed is positioned in the field of view of the electron microscope.
  • various stage movement distances may be positioned on the same coordinates.
  • step S903 a plurality of SEM images are continuously acquired after moving the stage.
  • step S904 the field deviation of the sample pattern from the center of the field of view is calculated for each of the plurality of acquired images.
  • the visual field shift amount is calculated for both the XY axes.
  • the calculated time history response (image drift amount) of the field deviation amount of the sample pattern is stored in the image drift map.
  • process S905 it is determined whether or not mapping has been completed for the entire wafer surface. When finished, mapping is completed. Otherwise, the process returns to step S901.
  • the correction process if the direction of moving the stage is opposite to that when the map is acquired, the correction may be performed by multiplying the correction amount by minus.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing an image drift correction map.
  • image drift amount data obtained by the map creation processing of FIG. 9 is stored.
  • the image drift amounts of the X axis and the Y axis corresponding to the movement distances 1, 2, 3 to are stored. If the image drift amount does not depend on the moving distance, a map having only a single moving distance may be created.
  • ⁇ When the linear guide undergoes changes over time, such as wear, the relationship between stage thrust and deformation changes, so the amount of image drift also varies. In this case, the image drift amount is always monitored, and when the effect of the correction is reduced, the user is notified on the GUI to warn the maintenance time of the apparatus. Further, a map update button may be displayed on the GUI so that the user can update the map at an arbitrary timing.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing a sensor arrangement for detecting the stage deformation amount.
  • a strain gauge or the like can be used as a sensor used to detect deformation.
  • the sensor for detecting the mirror deformation amount can be installed on the mirror back surface or the like. Since the sensor for detecting the amount of wafer deformation cannot be directly installed on the wafer, it is equivalently detected by attaching it to the wafer holding mechanism.
  • the sensor may be built in the mirror and wafer holding mechanism.
  • the wafer coordinates can be divided into a grid and a plurality of sensors can be installed to detect deformation for each coordinate.
  • FIG. 12 is a flowchart showing deflection amount correction processing using a sensor.
  • process S1201 an observation point on the wafer is determined.
  • step S1202 the stage is moved with respect to the coordinates determined in step S1201, and the sample pattern to be observed is positioned in the field of view of the electron microscope.
  • process S1203 imaging with an electron microscope is started.
  • step S1204 the deformation amount at each observation point of the mirror and the wafer is measured using a strain sensor or the like. The relative deformation amount of the mirror wafer is calculated using the following equation.
  • Dr Dm ⁇ Dw [Formula 3]
  • Dr is the relative deformation amount of the mirror / wafer
  • Dm is the mirror deformation amount
  • Dw is the wafer deformation amount.
  • a correction amount for correcting the deflection of the deformation amount is calculated, and the deflection correction is performed.
  • imaging at the current observation point is completed, and the stage is moved to the next measurement point according to the wafer recipe.
  • the deformation amount of the mirror and wafer on the table after moving the stage is estimated using the deformation amount estimation means such as a correction formula, a map, a sensor, etc.
  • the deformation amount estimation means such as a correction formula, a map, a sensor, etc.

Abstract

本発明は、ステージ移動直後の撮像中におけるステージ変形等に伴う像ドリフトを補正することが可能な荷電粒子線装置の提供を目的とする。上記目的を達成するために、試料室と、当該試料室内に配置される試料ステージと、荷電粒子線を放出する荷電粒子線源と、当該荷電粒子線源から放出される荷電粒子線を偏向する偏向器と、荷電粒子線を集束する集束レンズと、前記試料ステージと前記偏向器を制御する制御装置とを備える荷電粒子線装置であって、当該制御装置は、前記試料ステージ駆動時の推力情報と、前記試料ステージの位置毎に割り当てられた係数に基づいて、前記偏向器に供給する偏向信号を算出する荷電粒子線装置を提案する。

Description

荷電粒子線装置
　本開示は、荷電粒子線装置に係り、特に、画像取得の際に発生する像ずれを効果的に抑制する荷電粒子線装置に関する。
　微細な対象物を観察するための装置として、電子顕微鏡に代表される荷電粒子線装置が用いられている。その中でも、半導体ウェハ上に形成されたパターンの測定や、欠陥の検査を行う荷電粒子線装置には、半導体ウェハの大型化に伴い、Ｘ－Ｙ方向の寸法が大きなステージが設けられている。一方、半導体デバイスの量産工程のプロセス管理等に用いられる荷電粒子線装置には、高いスループットが要求されている。高スループット化の実現のためには、ステージ移動後、直ちに測定や検査のためのビーム照射を行うことが望ましいが、ステージ移動後に発生する像ゆれ（ドリフト）によって、適正な位置にビームを照射できない場合がある。
　特許文献１には、予め取得する参照画像と比較画像を画像処理する事で二つの像の相互相関関数を求め、相互相関関数の最大強度位置を探索する事で像ドリフトを算出する方法が記載されている。本法によると、原子配列のような周期構造を持つ試料の場合でも、ずれた周期に応じて像ドリフト量を正確に算出する事ができる。
　特許文献２には、ステージの位置の特定が可能なレーザー測長システムを備えたステージ装置が開示されている。特許文献１に開示のステージ装置では、ステージを構成するボールねじの熱変化による熱膨張や、超音波モータの接触面摩擦変化などにより、停止位置がドリフトするという課題に対し、レーザー測長システムによる位置特定に応じて、ビームの照射位置を補正する手法が開示されている。
特開２０１５－２１０９９９号公報 特開２００７－４２５１４号公報
　特許文献１や特許文献２に開示の手法によれば、画像処理やステージの位置の特定に基づいて、ドリフト量を求めているが、得られた画像や測長値に基づいてドリフト量を算出するため、ステージ変形に伴いドリフト量が時間変化していく場合、ドリフト量の補正遅れが生じ、十分な補正効果を得ることができない。さらに、像ドリフトの時間変化はステージの移動距離や移動方向、ウェハ測定点などに依存するため、画像情報からドリフトの変化量を予測して補正する事も困難である。また、ステージ変形時のＳＥＭ画像の補正方法についても言及されていない。
　以下に、ステージ移動直後の撮像中におけるステージ変形等に伴う像ドリフトを補正することを目的とする荷電粒子線装置を提案する。
　上記目的を達成するための一態様として以下に、試料室と、当該試料室内に配置される試料ステージと、荷電粒子線を放出する荷電粒子線源と、当該荷電粒子線源から放出される荷電粒子線を偏向する偏向器と、荷電粒子線を集束する集束レンズと、前記試料ステージと前記偏向器を制御する制御装置とを備える荷電粒子線装置であって、当該制御装置は、前記試料ステージ駆動時の推力情報と、前記試料ステージの位置毎に割り当てられた係数に基づいて、前記偏向器に供給する偏向信号を算出する荷電粒子線装置を提案する。
　上記構成によれば、ステージ移動直後であってもドリフトのない画像の取得が可能となる。
荷電粒子線装置の断面図。 ＸＹステージ機構を上部から見た模式図である。 リニアガイドの転動体の状態を表す模式図。 ミラーの変形を表す模式図。 ウェハの変形を表す模式図。 像ドリフトを表す概略図。 ステージ推力と像ドリフトの関係を表す概略図。 補正式を用いた偏向量補正処理を示すフローチャート。 像ドリフトマップ作成処理を示すフローチャート。 像ドリフト補正マップを表す模式図。 ステージ変形量を検出するセンサ配置を示す模式図。 センサを用いた偏向量補正処理を示すフローチャート。 荷電粒子線の照射位置補正を行うための補正係数テーブルの一例を示す図。
　半導体素子の微細化に伴い、製造装置のみならず、検査や評価装置にもそれに対応した高精度化が要求されている。通常、半導体ウェハ上に形成したパターンの評価および形成されたウェハ上の欠陥の検査のために、走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）が用いられている。特に、パターンの形状寸法を評価する場合には測長ＳＥＭが用いられる。
　測長ＳＥＭは、ウェハ上に電子線を照射し、得られた二次電子信号を画像処理することで、その明暗の変化からパターンのエッジを判別して寸法等を計測する装置である。半導体の微細化に対応するためには、高い観察倍率において、ノイズの少ない二次電子像を得ることが重要である。そのため、二次電子像を複数枚重ね合わせてコントラストを向上させる必要がある。また、微細な評価対象パターンを正確に測長するために電子顕微鏡の視野を評価対象パターンに正確に位置付ける必要がある。そのため、評価対象パターン近傍に存在する特徴的なパターンを、予め用意したテンプレートを用いたマッチング処理によって見つけ出し、特徴的なパターンと既知の位置関係にある評価対象パターンに対して視野位置合わせを行う（以下、アドレッシングと呼ぶ）。
　測長ＳＥＭでは、通常ウェハ全域を観察、検査するために、ウェハ上の所望の測定箇所を電子ビームの照射位置に位置決めすることが可能なＸＹステージが配置される。ＸＹステージ装置では、ＸテーブルおよびＹテーブルがリニアガイドにより案内され、リニアモータなどの駆動機構を駆動することで、試料室に対してそれぞれＸ方向およびＹ方向に移動する。ＸＹテーブル上にはバーミラーが配置され、レーザ干渉計などの位置検出器を用いてステージ位置を検出し、サーボ制御系を構成する。検出したステージ位置情報は、電子線を走査する電子光学系へフィードバックして電子線の偏向量を補正する事で、ステージ振動に電子線を追従させ、ステージの位置ずれを補正することができる。
　ＳＥＭではウェハ検査・計測のスループット向上のため、ステージ移動完了直後から電子光学系で撮像開始し、ＳＥＭ画像を取得するのが好ましい。しかし、ステージ移動直後はステージが完全には停止しておらず、リニアガイドの転動体が弾性変形しながら数十～数百ナノメートル程度ステージが移動している。ＸＹステージは所望の観測点に止める様にサーボ制御が行われるため、リニアガイドの弾性変形によるステージ位置変化に伴ってステージに加わるリニアモータ推力は変動していく。この時、微小なリニアモータ推力がテーブルに加わる事で、テーブル上のバーミラーおよびウェハに数ナノメートルオーダの弾性変形が生じ、バーミラーとウェハ上の測定点の相対位置関係を変化させる。
　このレーザ位置情報を用いてステージの位置決めを行う場合、ウェハ上の測定点を正確にビーム照射位置に位置決めすることができず、アドレッシングで位置合わせした視野中心からミラーとウェハの相対位置変化分の視野ずれが生じる。また、複数枚連続して撮像して各画像を積算する場合、ウェハ測定点およびバーミラーの相対位置の時間変化に伴い初期画像とそれ以降の画像で視野ずれ量が異なる像ドリフトが発生し、像がぼやけるなど像障害に繋がる。
　発明者らの検討によって、上記像ドリフトは、ステージの移動方向やステージ座標に応じて変化する場合があり、移動方向やステージ座標に応じた適正なドリフト補正を行うことによって、ドリフトを抑制し得ることが明らかになった。以下に説明する実施例では、ステージの推力情報をもとに、移動方向やステージ座標に応じたドリフト補正を行うことができるステージ装置を備えた荷電粒子線装置について説明する。
　以下に説明する実施例では主に、試料室と、当該試料室内に配置される試料ステージと、当該試料ステージの上部に設置される荷電粒子線源と、荷電粒子線を偏向する偏向手段（偏向器）と、荷電粒子線を集束する集束レンズを有する光学系カラムと、前記光学系カラムおよび試料ステージを制御する制御装置とを備える荷電粒子線装置であって、当該制御装置は、前記試料ステージ駆動時の推力情報と、ステージの移動方向とステージ座標の組み合わせごとに割り当てられたテーブル情報とを用いて、荷電粒子線の照射位置補正を行う荷電粒子線装置を提案する。
　上記構成によれば、ステージ移動後のテーブル、ミラー、およびウェハの変形によらず、高精度な照射位置補正を行うことが可能となる。以下に説明する実施例では、照射位置の変位が、ステージの移動方向、ステージ座標、及びステージ推力によって変動することに鑑み、これらの条件に応じて、照射位置補正値（ビームの偏向量と偏向方向）を導出する事で、ステージ変形に起因する像ドリフト等の像障害の無い高精細なＳＥＭ像取得が可能となる。また、撮像の待ち時間を設ける事無く、ステージ移動直後から撮像する事が可能となり、装置スループット向上に寄与する。
　以下に説明する実施例は、ＳＥＭのような荷電粒子線装置およびＳＥＭで取得する画像の像ドリフト補正に関するものである。
　図１は、本実施例における荷電粒子線装置の断面図である。図１において、試料室１内に固定されたベース７上には、Ｘステージ２２およびＹステージ２３が搭載される。ＸＹステージにはテーブルのＸ方向の位置を測定するためのレーザ干渉計１０ｘおよびミラー１１ｘが設置される。Ｘレーザ干渉計１０ｘは、ミラー１１ｘに対してレーザ光を照射し、その反射光を用いて試料室１とＸテーブルのＸ方向の相対変位量（以下、Ｘレーザ値と呼ぶ）を計測する。Ｘレーザ値を制御装置６にフィードバックすることでＸ方向に対するサーボ制御系を構成する。
　Ｙ方向についても同様に、レーザ干渉計（図示せず）を用いてＸテーブルのＹ方向の相対変位を検出し、サーボ制御系を構成する。これにより、ＸテーブルをＸＹ方向の所望の位置に位置決めし、ウェハ２上全面に対する検査・計測を行う。
　試料室１には、電子光学系を保持するカラム３が配置される。カラム３には、電子線４によって二次電子像を生成するための電子銃５を備えている。生成した二次電子は二次電子検出器１７によって検出される。二次電子検出器１７で検出した二次電子信号は、画像処理部１８に入力することでＳＥＭ像に変換される。
　制御装置６には、演算処理部、リニアモータ駆動用アンプ等が含まれていており、ＸＹテーブルの駆動力を演算するサーボ制御系が構成される。
　偏向制御部１９では、制御装置６に格納したレーザ位置信号を用いて偏向コイル２１を制御することで、ステージ振動に電子線を追従させ、ステージ振動に起因した像揺れを低減する事ができる。
　以上の構成により、ウェハ２を試料室１に対してＸＹ平面で移動し、カラム３によって試料の撮像を行うことができる。
　図２は、ＸＹステージ機構を上部から見た模式図である。ベース７上には、２つのＹリニアガイド１２ｙ、１３ｙを介してＹ方向に自由に移動できるＹテーブル８ｙが配置されるとともに、Ｙリニアモータ１４ｙがＹ方向に相対的に推力を発生させるように配置される。Ｙテーブル８ｙ上には、２つのＸリニアガイド１２ｘ、１３ｘを介してＸ方向に自由に移動できるＸテーブル８ｘが配置されると共に、Ｘリニアモータ１４ｘがＸ方向に推力を発生させるように配置される。これにより、Ｘテーブル８ｘは、ベース７および試料室１に対してＸＹ方向に移動することが可能となる。
　Ｘテーブル８ｘ上にはウェハ２が積載される。ウェハ２の配置には機械的拘束力または静電気力等の保持力を備えたウェハ保持機構（図示せず）を用いる。
　なお、本実施例では、駆動機構としてリニアモータを用いたが、例えば、ボールねじや圧電アクチュエータ等、真空中で使用可能なアクチュエータを用いることも可能である。また、ステージの位置検出にはレーザ干渉計を用いたが、例えばリニアスケールなどの他の位置検出方法を用いることも可能である。
　図３は、リニアガイドの転動体の状態を表す模式図である。（ａ）はステージ移動中の転動体の状態を示す模式図である。この領域ではリニアガイド１２の転動体３０が転がりながらステージが移動する。（ｂ）はステージ移動後の状態を示す模式図である。ステージ移動直後は完全に停止しているわけではなく、転動体３０が弾性変形しながらわずかに変位している。（ｂ）の領域では、リニアガイドの転がり摩擦が非線形ばねとして振る舞うため、１～２秒程度の遅い時定数で数十ナノメートルから数百ナノメートル程度ステージが変位する。
　装置スループット向上のためには、ステージ移動直後から試料を撮像することが望ましい。しかし、（ｂ）の領域で撮像した場合、リニアガイドの弾性変形に伴ってリニアモータに推力変動が生じる。リニアモータの推力変動はテーブル８上のミラーおよびウェハの変形を引き起こし、像ドリフトの原因となる。
　なお、リニアガイド等の転動体を用いない案内機構（例えば、流体軸受けや磁性軸受など）を用いれば転動体の弾性変形に伴うリニアモータの推力変動は引き起こさない。しかし、荷電粒子線装置は、真空雰囲気内で荷電粒子線を試料に照射する必要があるため、流体軸受けや磁性軸受を適用することが困難である。したがって、視野位置決め精度を改善するためには、ステージ変形による像ドリフトを補正する事が必要である。
　図４は、ミラーの変形を表す模式図である。（ａ）はミラーが変形していない時の模式図である。この場合、ウェハ２上の各観測点ａ、ｂ、ｃとＹミラー１１ｙの相対位置関係は同等である。（ｂ）はミラーが変形した時の模式図である。（ｂ）に示すようにミラーがＹ軸方向にΔＹだけ変形した場合、ミラーの変形に伴いＹ軸のレーザ値が変化するため、制御装置６ではＸテーブルがΔＹだけ移動したと見なしてサーボ制御を行う。Ｘテーブルが所望の観測点上にいた場合、ΔＹだけ観測点の視野中心から位置ずれすることとなる。
　図５は、ウェハの変形を表す模式図である。（ａ）はウェハ変形なしの時の模式図、（ｂ）はウェハ変形ありの時の模式図である。図５（ｂ）のように、ウェハがＸ軸方向にΔＸだけ変形した場合、照射する電子線と観測点にΔＸだけ位置ずれを生じる。図２のステージの様に、リニアモータがテーブル端に配置される場合、推力変動の影響がウェハ座標毎に不均一となるため、ウェハ座標上の各観測点ａ、ｂ、ｃではそれぞれ変形量が異なる。また、変形量はステージの移動量や移動方向にも依存するため、これらを勘案した変形量の推定法および補正法が必要となる。なお、ウェハおよびミラーの両方に変形を生じた場合、両者の変形量の加算値がＳＥＭ画像の視野ずれとなる。
　図６は、像ドリフトがない画像と像ドリフトが含まれる画像の例を示す図である。（ａ）は像ドリフトなしのＳＥＭ像、（ｂ）は像ドリフトが生じた場合のＳＥＭ像である。（ａ）のように像ドリフトしていない場合、画像処理により取得したＳＥＭ像６１の視野中心６３に回路パターン６２を捉える事ができる。しかし、（ｂ）のようにミラー・ウェハの変形に伴い像ドリフトが生じた場合、視野位置決め精度が劣化する。ミラーおよびウェハがＸ軸方向にΔＸ変形した場合、Ｘ軸方向の視野ずれ量はΔＸとなる。
　図７は、ステージ推力と像ドリフトの関係を示す概略図である。（ａ）はステージ推力波形である。ステージ推力は制御装置６で演算するリニアモータの駆動指令から算出する。（ｂ）は像ドリフト波形である。像ドリフトは同一の試料パターンを複数枚連続して撮像し、初期画像からのずれを算出することで、測定できる。（ｃ）はステージ推力に対する像ドリフト特性を示す概略図である。ステージ推力と像ドリフトを測定することで、次式に示すステージ推力に対する像ドリフト特性を求める事ができる。
　　Ｘｓｅｍ＝ｋＴ　［式１］
　ここで、ＸｓｅｍはＸ軸の像ドリフト量、ＴはＸ軸リニアモータの推力、ｋは比例係数である。予め、比例係数ｋを求めておくことで、撮像中の像ドリフト量Ｘｓｅｍが推力情報Ｔを用いて算出することが可能となる。なお、比例係数ｋは多項式としても良い。
　また、試料観察点の座標によって、ステージの重心変化が生じ、ステージ推力に対する像ドリフト特性が変化する。そのため、像ドリフト量の補正式は、ステージ座標並びに推力の情報を用いて算出する形式とすることが好ましい。
　　Ｘｓｅｍ＝ｋ（Ｘ、Ｙ）Ｔ　［式２］
　ここで、ＸおよびＹは試料観測点におけるＸ軸およびＹ軸の座標であり、比例係数ｋはＸおよびＹの関数となっている。なお、ここではＸ軸の補正式について述べたが、Ｙ軸に対しても同様の多項式を用いることで像ドリフト量を算出することができる。
　図８は、補正式を用いた偏向量補正処理を示すフローチャートである。処理Ｓ８０１では、ウェハ上の観察点を決定する。処理Ｓ８０２では、ステージ移動を行い、電子顕微鏡の視野内に観察する試料パターンを位置決めする。処理Ｓ８０３では、電子顕微鏡での撮像を開始する。処理Ｓ８０４では、補正式式１または式２の補正式を用いて像ドリフト量を推定する。処理Ｓ８０５では、像ドリフト量を補正するための電子光学系の偏向量を算出し、偏向補正を行う。処理Ｓ８０６では、電子顕微鏡の撮像を完了する。処理Ｓ８０７では、像ドリフト補正時の像ドリフト量を算出する。処理Ｓ８０８では、像ドリフト量が許容範囲内か否かの判定を行う。処理Ｓ８０９では、像ドリフト量が許容範囲を超過する場合、補正式を自動更新する。ユーザのマニュアル操作時に像ドリフトが確認された場合は、補正式を更新する機能をＧＵＩ上に表示し、ユーザが任意のタイミングで実行できるようにしても良い。
　図１３は、上述のような照射位置補正を行うための補正係数テーブル（マップ）の一例を示す図である。図１３に例示する補正係数テーブルは、座標（位置）とステージの移動方向の組み合わせ毎に、係数（例えば式１、２のｋ）と補正方向が記憶されており、ステージの移動方向（現在の測定位置（ビームの走査位置）に対する次の測定位置の方向）と、次の測定位置の座標を、制御装置６内のメモリ等に予め記憶されている電子顕微鏡の撮像レシピから読み出し、現在の測定点から次の測定点に要する駆動機構の推力情報を式２に例示するような演算式に代入することによって、偏向器に供給する偏向信号を求める。図１３の補正係数テーブルは、ウェハをｉ×ｊのマトリクス状に領域分割したときのそれぞれの領域（位置）毎に、補正係数情報が登録できるようになっている。また、ステージの移動方向（図１３の例ではθ１～θｎ）に応じて異なる係数を登録できるようになっている。更に、図１３に例示するテーブルには、係数だけではなく、補正方向に関する情報も登録できるようになっている。また、ステージの移動方向は現在の測定位置と、次の測定位置の座標情報から三角関数を用いて求めるようにしても良い。
　図１３に例示するようなテーブルを用意し、次の測定位置が属する領域を選択すると共に、レシピに予め登録されているステージの移動情報から推力を抽出し、測定位置に至るまでのステージの動作に応じた補正量を求めることによって、ステージの動作条件に応じたビームの照射位置補正を行うことが可能となる。
　マップを用いた補正法について示す。図９は、像ドリフトマップ作成処理を示すフローチャートである。処理Ｓ９０１では、ウェハ上の観察点を決定する。ウェハの観測点は等間隔に格子状に定める。変形の影響が大きい箇所がある場合は、その座標周辺で格子を細かく分割する事で補正精度を高めても良い。
　処理Ｓ９０２では、Ｓ９０１で決定した座標に対してステージの移動を行い、観察する試料パターンを電子顕微鏡の視野内に位置決めする。ステージ移動距離によって像ドリフト量が異なる場合は、同座標上に対して種々のステージ移動距離の位置決めを行っても良い。
　処理Ｓ９０３では、ステージ移動後複数枚連続してＳＥＭ像を取得する。処理Ｓ９０４では、複数枚取得した各画像に対して、視野中心からの試料パターンの視野ずれを算出する。視野ずれ量はＸＹ両方の軸に対してそれぞれ算出する。算出した試料パターンの視野ずれ量の時刻歴応答（像ドリフト量）を、像ドリフトマップに保存する。
　処理Ｓ９０５ではウェハ全面に対してマップ化が終了したか否かを判定する。終了の場合、マップ化完了となる。そうでない場合、処理Ｓ９０１に戻る。補正処理に際して、マップを取得時とステージ移動方向が正負逆になる場合、補正量をマイナス倍して補正を行えば良い。
　図１０は、像ドリフト補正マップを表す模式図である。ウェハ座標毎に、図９のマップ作成処理により得られる像ドリフト量データが格納される。例えば、座標Ａでは移動距離１、２、３～に対応するＸ軸およびＹ軸の像ドリフト量が格納される。像ドリフト量が移動距離に依存しない場合は単一の移動距離のみのマップを作成すれば良い。
　リニアガイドが摩耗等の経時変化が生じた場合、ステージ推力と変形量の関係が変化するため、像ドリフト量も変動する。この場合、像ドリフト量を常にモニタし、補正による効果が低下した場合はユーザに対してその旨をＧＵＩ上で通知し、装置のメンテナンス時期を警告すると良い。また、ＧＵＩ上にマップの更新ボタンを表示し、ユーザが任意のタイミングでマップを更新できるようにしても良い。
　ステージ変形を検出するセンサを用いた補正法について示す。図１１は、ステージ変形量を検出するセンサ配置を示す模式図である。変形の検出に用いるセンサは、ひずみゲージ等を用いることができる。ミラー変形量検出するセンサは、ミラー裏面等に設置することができる。ウェハ変形量を検出するセンサは、ウェハに直接センサを設置することはできないため、ウェハ保持機構に取付けることで等価的にウェハ変形量を検出する。センサはミラーおよびウェハ保持機構に内蔵する構造としても良い。
　また、図１１の様にウェハ座標を格子状に分割し、複数枚センサを設置することで、座標毎の変形を検出する事ができる。
　図１２は、センサを用いた偏向量補正処理を示すフローチャートである。処理Ｓ１２０１では、ウェハ上の観測点を決定する。処理Ｓ１２０２では、処理Ｓ１２０１で決定した座標に対してステージ移動を行い、観察する試料パターンを電子顕微鏡の視野内に位置決めする。処理Ｓ１２０３では、電子顕微鏡での撮像を開始する。処理Ｓ１２０４では、ひずみセンサ等を用いてミラーおよびウェハの各観測点における変形量を測定する。ミラー・ウェハの相対変形量は、次式を用いて算出する。
　　Ｄｒ＝Ｄｍ－Ｄｗ　　［式３］
　ここで、Ｄｒはミラー・ウェハの相対変形量、Ｄｍはミラー変形量、Ｄｗはウェハ変形量である。処理Ｓ１２０５では、変形量を偏向補正するための補正量を算出し、偏向補正を行う。処理Ｓ１２０６では、現在の観測点での撮像を完了して、ウェハレシピに従い次の測定点へステージを移動する。
　以上のように構成した荷電粒子線装置によれば、ステージ移動後のテーブル上のミラーおよびウェハの変形量を、補正式、マップ、センサ等の変形量推定手段を用いて推定し、変形量の推定値を電子光学系の偏向制御系へフィードバックして偏向量を補正する事で、ステージ変形に起因した像ドリフト等の像障害の無い高精細なＳＥＭ像取得が可能となる。また、撮像の待ち時間を設ける事無く、ステージ移動直後から撮像する事が可能となり、装置スループット向上に寄与する。
　１　試料室
　２　ウェハ
　３　カラム
　４　電子線
　５　電子銃
　６　制御装置
　７　ベース
　８　テーブル
　１０　レーザ干渉計
　１１　ミラー
　１２、１３　リニアガイド
　１４　リニアモータ
　１７　二次電子検出器
　１８　画像処理部
　１９　偏向制御部
　２１　偏向コイル
　２２　Ｘステージ
　２３　Ｙステージ
　３０　転動体
　６１　ＳＥＭ像
　６２　回路パターン
　６３　視野中心
　１１１　ひずみセンサ
　９０６　像ドリフトマップ

Claims (11)

  1. 　試料室と、
    　当該試料室内に配置される試料ステージと、
    　荷電粒子線を放出する荷電粒子線源と、 
    　当該荷電粒子線源から放出される荷電粒子線を偏向する偏向器と、 
    　荷電粒子線を集束する集束レンズと、 
    　前記試料ステージと前記偏向器を制御する制御装置とを備える荷電粒子線装置であって、 
    　当該制御装置は、前記試料ステージ駆動時の推力情報と、前記試料ステージの位置毎に割り当てられた係数に基づいて、前記偏向器に供給する偏向信号を算出することを特徴とする荷電粒子線装置。
  2. 　請求項１において、
    　前記制御装置は、前記試料ステージの変形量を算出する変形量算出手段を備え、当該変形量算出手段は、前記試料ステージを駆動する推力情報と試料の観察点の座標情報を用いて補正式によりステージ変形量を算出することを特徴とする荷電粒子線装置。
  3. 　請求項１において、
    　前記制御装置は、前記試料ステージの変形量を算出する変形量算出手段を備え、当該変形量算出手段は、試料の座標毎に像ドリフト量を記憶した補正マップを用いてステージ変形量を算出することを特徴とする荷電粒子線装置。
  4. 　請求項１において、
    　前記制御装置は、前記試料ステージのミラーおよびウェハ保持機構に変形量を検出するセンサを備え、当該センサを用いてミラーおよびウェハの相対変形量を計測することを特徴とする荷電粒子線装置。
  5. 　請求項４において、
    　前記センサは、ひずみゲージであることを特徴とする荷電粒子線装置。
  6. 　請求項４において、
    　前記センサは、ミラーおよびウェハ保持機構に内蔵して配置されることを特徴とする荷電粒子線装置。
  7. 　請求項３において、
    　前記補正マップはステージの経時変化に応じてマップに記憶する像ドリフト量を更新する機能を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
  8. 　請求項３において、
    　前記補正マップは前記試料ステージの移動量毎に像ドリフト量を記憶することを特徴とする荷電粒子線装置。
  9. 　請求項７において、
    　前記補正マップを更新する機能をＧＵＩ上に表示し、ユーザが任意のタイミングで実施できること特徴とする荷電粒子線装置。
  10. 　請求項２において、
    　前記補正式は、像ドリフト量が許容範囲を超過する場合、自動補正式を更新すること特徴とする荷電粒子線装置。
  11. 　請求項１において、
    　前記制御装置は、
    　前記試料ステージ駆動時の推力情報と、前記試料ステージの位置及び前記試料ステージの移動方向の組み合わせ毎に割り当てられた係数に基づいて、前記偏向器に供給する偏向信号を算出することを特徴とする荷電粒子線装置。
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