JP5210666B2 - 走査電子顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、電子線を用いて試料を測定，検査、或いは観察する電子顕微鏡に係り、特にビームの軸調整を行う機能を備えた走査電子顕微鏡に関する。

昨今、半導体デバイスの微細化や高集積化が急速に進められており、測長・検査技術がますます重要になっている。走査型電子顕微鏡は、集束した電子ビームを試料上に走査し二次電子や反射電子を検出することによって試料表面を観察する装置であり、高解像度を有するためＣＤ−ＳＥＭ（Critical Dimension-Scanning Electron Microscope）やＤＲ−ＳＥＭ（Defect Review-Scanning Electron Microscope）等に代表されるような半導体測長・検査装置として広く用いられている。

こうした装置においては、試料を高解像度で観察するために装置条件を適宜調整する必要がある。例えば、対物レンズの中心から電子ビーム軌道がずれていると収差が発生して像質が低下してしまうため、観察前には光軸調整を行う必要がある。また、装置ごとの差；機差は分解能に影響し、装置間再現性を高める上での問題となる。装置条件を診断・調整するための従来技術には、以下のような方法がある。

特許文献１の記載によれば、複数のフォーカスの状態においてナイフエッジの端部やクロスマークの中心位置等の特定位置を測定し、それぞれのフォーカスの状態において測定した特定位置が一致するように、対物レンズ絞りの位置を自動的に調整する方法が公開されている。

特許文献２の記載によれば、アライメント偏向器の変更条件を変化させる前に、焦点評価、或いは調整を行うか、又はアライメント偏向器の変更条件に応じた焦点調整量のテーブルを備え、アライメント偏向器の偏向条件を変化させたときに、前記テーブルに従い焦点調整を行う荷電粒子線装置が提案されている。

特開２００５−２７６６３９号公報 特開２００７−１４１６３２号公報

特許文献１，特許文献２には、走査電子顕微鏡の画像を用いて、軸調整（以下、アライメントと称することもある）を行う例が説明されている。しかしながら、画像を取得する際の電子ビーム走査によって、試料に帯電が付着すると、電子ビームが曲げられるため、適正にアライメントを実行することができない場合がある。更に、ウェハ等の半導体試料の中には、試料面が傾斜しているものがあり、このような試料傾斜や帯電等によって発生する像変化によって、軸ずれが帯電や傾斜起因で発生しているのか判定することが困難となり、結果として適正なアライメントが困難となる場合がある。

本発明の目的は、帯電や試料傾斜等の存在によらず、装置の状態をモニタするのに好適な走査電子顕微鏡を提供することにあり、その具体的な態様の１例として、モニタ結果に基づいて、適正なアライメントを行い得る走査電子顕微鏡の提供にある。

上記課題を解決するために、以下に、電子ビームを試料に到達させない状態で、得られた情報に基づいて、装置コンディションをモニタする機能を備えた走査電子顕微鏡を提案する。より具体的な一例として、試料に負の電圧を印加することで、電子ビームを試料に到達させないで反射させる状態とすると共に、アライメント用の偏向器に所定の信号を供給したときに得られる上記反射した電子の検出位置の変化をモニタする。上記所定の信号が、アライメントが適正に行われている状態のものであるとすると、上記電子の検出位置の変化は、軸ずれを反映したものとなる。また、この際電子ビームを試料に到達させていないので、電子ビーム照射起因で生ずる帯電を抑制しつつ、軸ずれのモニタを行うことが可能となる。

上記構成によれば、電子ビームを試料に到達させない状態での装置コンディションのモニタが可能となり、高精度な装置条件設定を行うことが可能となる。

以下に、試料に非接触の反射電子ビームを用いることによって、装置条件を試料状態と区別して正確に診断する手法、及びそれを実現するための装置について説明する。

始めに測定原理を記載する。電子ビームを加減速して集束させる電極及び磁場で構成されるレンズと軸補正を行うアライメント偏向器と対物レンズと絞りと試料を保持し、試料に電位を与えるステージから構成される走査型電子顕微鏡において、電子の加速エネルギーをＥｅ、試料に与える電位をＶｒとし、｜−Ｖｒ｜をＥｅより大きい状態に設定する。

この状態で電子ビームを試料に向かって出射すると、図２に示すように、入射電子は試料に入射することなく直上で反射される（この状態をミラー状態、反射した電子をミラー電子、仮想的な反射面をミラー面と呼ぶ）。反射されたミラー電子は、レンズ系の中を反対方向に移動して行く。レンズ系に検出器を配置するとミラー電子の到達位置（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ）を検出することができる。ここで、例えばＶｒ設定値を変更してミラー面位置変動を変動すると、その変動量に応じたミラー電子到達位置のずれを検出することができる。

このずれ量から試料の帯電電位を特定することができる。例えば、Ｖｒを変えたときのＸｍのデータ組を複数保持しておくと、図３に示すようにＶｒを横軸、Ｘｍを縦軸とした相関関数を作成することができる。このとき試料が帯電すると、帯電量に応じてミラー面の位置が変化し、ＶｒをＶｒ１に設定してもミラー電子の到達位置はＸｍ１とならずにＸｍ２のようになる。Ｘｍ２と相関関数から推定されるＶｒの値はＶｒ２となる。Ｖｒ２はミラー面の位置を反映しているため、帯電した試料表面の電位を示していることになる。すなわち、Ｖｒ２−Ｖｒ１から帯電量Δφを求めることができる。ここで相関関数にはＸｍの代わりにＹｍやＺｍなどを用いることもできる。

以下の説明では、上記手法を応用して、Ｖｒの代わりに各設定パラメータ（アライメント偏向器設定値，コンデンサレンズ設定値，偏向コイル設定値など）を変数とし、基準条件において取得した相関関数から装置条件（装置構成部品の位置ずれ，電極・磁場レンズ，軸補正量，倍率など）の変化を求める装置診断方法を提供する。例えば、対物レンズからのビームの軸ずれについては次のようにして求めることができる。

アライメント偏向器の設定値をＩａとする。図４に示すように、軸調整された基準条件（アライメント偏向器に電流Ｉａ１を供給した状態）において、光学素子の光学条件（例えば試料に印加する電圧Ｖｒ、対物レンズに供給する電流Ｉobj（対物レンズが静電レンズである場合は、電圧Ｖobj）等）を変化させたときのミラー電子の到達位置（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ）を取得し、光学条件と到達位置との相関曲線を求める。

次に、ビームを軸ずれさせた装置条件において、上記相関関数を求めるべく、上記Ｉａを変化させる。異なる複数のＩａごとに、相関関数を求めておく。この状態で、診断時にアライメント偏向器の電流値を所定値であるＩａ１に設定すると、軸ずれがない場合は基準条件における相関関数に一致するためミラー電子の検出位置はＸｍ１となる。

軸ずれがある場合は、ミラー電子の検出位置はＸｍ２のようになり、別の相関関数上で一致することになる。このとき、一致する相関関数に対応する軸ずれ量から診断時の軸ずれ量を推定することができる。あるいは一致する相関関数がない場合は、例えば近傍する二つの相関関数を補間することで軸ずれ量を推定することができる。

あらかじめビーム軸ずれ量とＩａ適正値の関係を示すテーブルを用意しておけば、推定したビーム軸ずれ量から簡単にＩａを補正することができる。なお、相関関数の変数としてはＩａの代わりにＶｂやＩｏなどを用いることも可能である。また、本手法はビーム軸ずれ量だけでなくビーム軸ずれ方向の特定に応用することもできる。

以下、図面を用いてミラー電子を用いた装置コンディションのモニタ法を更に詳細に説明する。

図１はミラー電子を用いた装置の診断方法、及びそれを搭載した電子顕微鏡の一例である。電界放出陰極１１と引出電極１２との間に引出電圧を印加することで、一次電子ビーム１を引き出す。引き出された一次電子ビーム１は加速電圧制御系４４より、加速電極１３に印加される加速電圧によって加速される。一次電子ビーム１はコンデンサレンズ１４，上走査偏向器２１，下走査偏向器２２で走査偏向を受ける。上走査偏向器２１，下走査偏向器２２の偏向強度は、対物レンズ１７のレンズ中心を支点として試料２３上を二次元走査するように調整されている。偏向を受けた一次電子ビーム１は、対物レンズ１７の通路に設けられた加速円筒１８で加速される。加速された一次電子ビーム１は、対物レンズ１７のレンズ作用で絞られる。ステージ電圧制御系４８で、電子の加速エネルギーＥｅよりも十分大きいように試料（或いは試料ステージ）に電位Ｖｒを与える。

例えばＥｅが２ｋｅＶの時は、−２０００Ｖ程度より大きく与える。こうすると、試料より上の位置に−２０００Ｖの等電位面（ミラー面２）ができる。ここで一次電子ビームは反射されて上方に戻ることになる。この電子をミラー電子３と呼ぶことにする。レンズ系を通過したミラー電子３は検出器２９に到達する。検出器２９はミラー電子３の位置（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ）を検出する。記憶装置４５はこの（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ）の情報を記録する記憶装置である。演算器４０は記憶装置４５に記録された複数条件における（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ）の情報から‘ずれ’量を算出し、この‘ずれ’量を基に、装置条件の変化量を算出する。この情報は分析器４１に送られ、その中で装置条件を制御するために、制御系のパラメータの信号を設定する。制御系としては、例えばアライメント偏向器制御系４２，対物レンズ制御系４３，偏向器制御系４６などがあり、これらによって装置条件を制御する。

図５は、ミラー電子軌道のずれを基に、診断時における対物レンズ中心からのビームのずれを求める方法の一例を示す概略フローである。アライメント偏向器設定値をＩａ、ミラー電子の検出位置を（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ）とする。５０１で装置を基準条件に調整しておき、ミラー状態に設定する。このときのアライメント偏向器設定値をＩａ１とする。５０２でＩａをかえてＸｍ（ＹｍあるいはＺｍでもよい）のデータを取得し、記憶装置４５にＩａとＸｍの相関曲線を記録する。このときＩａとＸｍのデータ組は多いほど精度のよい相関曲線が得られる。次に、５０３でアライメント偏向器の設定を変更して故意にビームの軸ずれ量を変えた状態で、ＩａとＸｍの相関曲線を取得する。このときビーム軸ずれ量を変えたものを複数取得しておく。基準条件の相関関数とビーム軸ずれ量が異なる複数の相関関数を、５０４で記憶装置４５に記憶しておく。装置条件診断時において、５０５で装置パラメータを基準条件と同じ値に設定しミラー状態にしておき、５０６でミラー電子の検出位置を求める。５０７で記憶装置４５に記憶しておいた基準条件での相関関数とミラー電子の検出位置を比較し、相関曲線上にあれば診断時にビームのずれは無く、相関曲線上になければビームのずれが生じていると判定する。あるいは、診断時に相関曲線を取得して、基準条件における相関曲線と比較することによって基準条件からのビームのずれを判定する。５０８で保持していた複数の相関関数と比較し診断時の相関関数が一致するビームの軸ずれ量を求める。一致する相関関数データが無い場合は、近傍二つの相関関数を補間してビームの軸ずれ量を推定する。５０９で予め用意しておいたビームの軸ずれ量に対する適切なアライメント偏向器設定値のテーブルを参照し、求めたビームの傾きからアライメント偏向器設定値の補正量を演算し、補正した設定値をアライメント偏向器制御系４２に出力することによって、対物レンズ中心からのビームの軸ずれを補正する。

以下に第２の実施例を示す。ミラー電子軌道のずれを基に、診断時における電界放出陰極の絞りに対する位置ずれを求める。上記実施例と同じく試料に与える電位を電子の加速エネルギーＥｅよりも十分大きいように設定しておき、電界放出陰極１１の位置Ｘｔを調整できるものとする。この状態でコンデンサレンズの設定値をＩｃ１としたときのミラー電子の検出数をＢｍ１とする。ミラー電子は試料に非接触なので、Ｂｍ１は絞りを通過した電子数に等しい。コンデンサレンズの設定値をＩｃ２とし、同じエネルギーでビームを出射し、この時のミラー電子の検出数Ｂｍ２を検出器から求める。（Ｉｃ，Ｂｍ）のデータの組を複数取得すると、これらのデータから図６に示すようなＩｃとＢｍの相関曲線を求めることができる。Ｘｔが調整された電界放出陰極の位置ずれがない基準条件でＩｃとＢｍの相関曲線を取得しておく。電解放出陰極に位置ずれが発生すると、絞りを通過する電子数が変化するためＩｃとＢｍの相関曲線が変化する。したがってこの曲線の変化から、電解放出陰極の位置ずれを判定することができる。この際、相関曲線はＢｍの代わりにミラー電子検出位置（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ）などを用いることもできる。

図６は、第３の実施例である電子源の位置ずれを診断する方法の一例を示す概略フローチャートである。コンデンサレンズ設定値をＩｃ、単位時間当たりに検出したミラー電子数をＢｍとする。上記概略フローと同様に、６０１で装置を基準条件に調整しておき、ミラー状態に設定する。６０２でＩｃを変えると、絞りを通過する電子数が変化するためＢｍのデータからＩｃとＢｍの相関関数を取得することができる。６０３で記憶装置４５にＩａとＢｍの相関曲線を記憶する。次に、６０４で装置条件診断時にミラー状態にする。６０５で基準条件と同様にＩａとＢｍの相関関数を取得する。６０６で基準条件と診断時における相関関数を比較し、両者が一致すれば電界放出陰極と電極との間に位置ずれがなく、両者が不一致ならば位置ずれが生じたと判定する。６０７で相関関数が一致するようにＸｔを調整すれば、位置ずれのない状態を再現することができる。

図７は、第４の実施例であるミラー電子を用いて倍率の変動を診断する方法の一例を示すフローチャートである。上記実施例と同様に７０１で試料に与える電位を電子の加速エネルギーＥｅよりも十分大きいように設定し、上走査偏向器２１，下走査偏向器２２の偏向強度比を基準条件に調整し、偏向量の設定値をＩｄとしたときのミラー電子の検出位置を（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ）とする。７０２でＩｄとＸｍ（あるいはＹｍ，Ｚｍ）の基準条件における相関関数を取得する。７０３でＩｄを変えたときの相関関数を複数取得し、７０４で記憶装置４５に記憶しておく。７０５で装置条件診断時にミラー状態にし、７０６でミラー電子の検出位置を取得する。７０７で取得したＸｍ（あるいはＹｍ，Ｚｍ）が相関関数上に一致すれば倍率の変動は無く、不一致ならば倍率に変動が生じたと判定する。７０８で相関関数上に一致するような偏向量を算出し、７０９で偏向器制御系４６に算出した偏向量をフィードバックすることで倍率の変動を補正する。

第５の実施例である診断時における対物レンズ強度の変化を求める方法は、図７において相関関数の変数Ｉｄを対物レンズ設定値Ｉｏに置き換えることで実施可能である。

以下に第６の実施例を説明する。上記実施例と同じく試料に与える電位を電子の加速エネルギーＥｅよりも十分大きいように設定しておくと、電界放出陰極１１と引出電極１２との間に引出電圧１３を印加することで引き出された一次電子ビーム１は、コンデンサレンズ１４で加速され絞り１５を通過した後、試料上で反射されてミラー電子３となって検出器２９の方へ戻る。

このとき上走査偏向器２１，下走査偏向器２２でミラー電子を走査すると装置内部の構造物にミラー電子が照射されるため、例えば図８（ａ）に示すように検出器を検出器Ｌ，検出器Ｕのように配置すると、構造物の形状を写した画像を取得することができる。この場合、検出器Ｌで取得した画像から、図８（ｂ）に示すように構造物Ａと構造物Ｂの形状と位置関係を求めることができる。検出器Ｕで取得した画像からは、図８（ｃ）に示すように構造物Ｂと構造物Ｃの形状と位置関係を求めることができる。これらの画像から、例えば装置間における機差を診断することが可能となる。本手法は試料表面より放出された二次電子を利用することによっても可能であるが、ミラー電子は二次電子よりもエネルギー幅が小さく細束化することができるので、構造物をより明確に判定することができる。

ミラー電子を用いると、試料に非接触でカラム内を装置診断することが可能であり、診断結果から適切な調整値を演算することで、経時変化による装置条件変化の補正や装置間機差の低減をすることができる。

ミラー電子を用いた電位測定法を実施するための走査電子顕微鏡を説明する図。 ミラー電子の軌道を説明する図。 ミラー電子の軌道から、試料電位を求める方法を説明する図。 ミラー電子の軌道から、対物レンズに対する電子ビームの軸ずれを求める方法を説明する図。 ミラー電子の軌道から、対物レンズに対する電子ビームの軸ずれを求める概略フロー。 ミラー電子の輝度から、絞りに対する電界放出陰極の位置ずれを求める概略フロー。 ミラー電子の軌道から、倍率ずれを求める概略フロー。 ミラー電子の画像から、装置内構造物の位置ずれを求める方法を説明する図。

符号の説明

１ 一次電子ビーム
２ 等電位面（ミラー面）
３ ミラー電子
１１ 電界放出陰極
１２ 引出電極
１３ 加速電極
１４ コンデンサレンズ
１５ 絞り
１７ 対物レンズ
１８ 加速円筒
２０ ガイド
２１ 上走査偏向器
２２ 下走査偏向器
２３ 試料
２４ ホルダー
２９ 検出器
４０ 演算器
４１ 分析器
４２ アライメント偏向器制御系
４３ 対物レンズ制御系
４４ 加速電圧制御系
４５ 記憶装置
４６ 偏向器制御系

Claims (6)

1. 電子を検出する検出器と、
   電子ビームの光学条件を調整する光学素子と、
   前記電子ビームの軸調整を行う偏向器と、
   前記試料、或いは試料台に印加する負電圧を制御する制御装置を備えた走査電子顕微鏡において、
   前記試料から放出され、前記走査電子顕微鏡内の構造物を通過する電子、及び／又は当該構造物への前記試料から放出された電子の照射によって発生する電子を検出する検出器を備え、
   前記制御装置は、前記検出器によって検出された電子に基づいて前記構造物の画像上での位置を検出するものであって、前記負電圧を制御して前記電子ビームが試料に到達する前に反射する状態とし、当該状態にて前記偏向器に所定の信号を供給したときの前記検出器によって得られる電子に基づく構造物の位置を予め記憶しておき、
   当該記憶された構造物の位置と、前記所定の信号を前記偏向器に供給することによって得られる前記構造物の位置の変化を検出することを特徴とする走査電子顕微鏡。
2. 請求項１において、
   前記制御装置は、前記光学素子の条件を変化させたときに得られる当該光学条件と、前記検出器によって得られる前記位置との相関を予め記憶しておくことを特徴とする走査電子顕微鏡。
3. 請求項２において、
   前記制御装置は、前記偏向器に供給する複数の信号ごとに、複数の相関を記憶しておくことを特徴とする走査電子顕微鏡。
4. 請求項１において、
   前記制御装置は、前記変化に応じて前記偏向器に供給する信号を変化させることを特徴とする走査電子顕微鏡。
5. 電子ビームを集束させるレンズと、
   当該レンズに対して軸調整を行うアライメント偏向器と、
   試料を保持し、試料に電位を与えるステージを備えた走査電子顕微鏡において、
   試料に与える電位を加速電子ビームよりも大きく設定して入射電子を試料直上で反射させ、当該反射によって、前記走査電子顕微鏡内の構造物を通過する電子、及び／又は当該構造物への前記試料から放出された電子の照射によって発生する電子を検出する検出器を備え、当該検出器によって得られる電子に基づいて形成される画像から、前記構造物の位置の変化を検出することを特徴とする走査電子顕微鏡。
6. 請求項５において、
   前記アライメント偏向器に所定の信号を供給したときの前記構造物の位置と、予め記憶された当該所定の信号をアライメント偏向器に供給したときに検出される前記構造物の位置との変化に基づいて、前記アライメント偏向器への信号値を補正することを特徴とする走査電子顕微鏡。

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