JP2007042513A - 検査装置および検査装置の照射ビームサイズ調整方法 - Google Patents

Abstract

【目的】本発明は、電子線ビームで試料を照射して走査し、質量に対応して多くなる反射電子を検出・増幅して反射電子線像を生成する検査装置および検査装置の照射ビームサイズ調整方法に関し、電子線ビームで試料を照射して走査し、質量に対応して多くなる反射電子を検出・増幅して生成した反射電子線像を生成する際に、電子線ビームで試料を照射して走査する条件を倍率変更前と倍率変更後でほぼ同じにし、倍率可変しても適切な濃淡を持つ反射電子線像を生成することを目的とする。
【構成】 倍率の変更指示があったときに、変更指示された倍率にしたときに変更前の条件がほぼ同一となるように電子線ビームのスポットサイズを調整する手段と、調整された後の電子線ビームで変更指示された倍率に対応して試料を照射して走査する手段とを備えた検査装置である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子線ビームで試料を照射して走査し、質量に対応して多くなる反射電子を検出・増幅して反射電子線像を生成する検査装置および検査装置の照射ビームサイズ調整方法に関するものである。

従来、半導体分野でＬＳＩのマスクなどのパターンの測定、検査をするために大きなマスク（例えば８インチサイズ）などをＳＥＭ（走査電子顕微鏡）のステージに搭載し、細く絞った電子線ビームで当該マスクの全面を走査して放出された２次電子を収集・検出・増幅して２次電子画像を表示し、当該２次電子画像上でパターンの測定や、検査を行っている。

この際、倍率が小さすぎあるいは大きすぎる場合には、電子線ビームでマスクを照射して走査する範囲を変えて、結果として２次電子画像のサイズを可変していた。

上述したように、倍率を変える場合、例えば高倍率で電子線ビームをマスクに照射して走査し、２次電子画像が鮮明になるようにフォーカス合わせを行った後、低倍率に倍率変更していたため、低倍率では細くフォーカス合わせされた同一の電子線ビームのスポットサイズで走査し、走査線の間に電子線ビームで照射されない隙間ができてしまい、高倍率のときと、低倍率のときとでは同じ条件で走査した２次電子画像が得られないという問題があった。

また、特に、電子線ビームで試料を照射して走査する際に、試料上の質量に対応して信号量が大きくなる反射電子を検出し増幅して生成した反射電子画像の場合には、高倍率から低倍率などに倍率変更したときに同じ条件（例えば低倍率にしたときの走査線の間に電子線ビームで走査されない隙間がない、あるいは同じという条件）であることが要求されるが、上述した従来の手法ではこれを満足し得ないという問題もあった。

本発明は、これらの問題を解決するため、電子線ビームで試料を照射して走査し、質量に対応して多くなる反射電子を検出・増幅して生成した反射電子線像を生成する際に、電子線ビームで試料を照射して走査する条件を倍率変更前と倍率変更後でほぼ同じにし、倍率可変しても適切な濃淡を持つ反射電子線像を生成することを目的としている。

本発明は、電子線ビームで試料を照射して走査し、質量に対応して多くなる反射電子を検出・増幅して生成した反射電子線像を生成する際に、電子線ビームで試料を照射して走査する条件を倍率変更前と倍率変更後でほぼ同じにすることにより、倍率可変しても適切な濃淡を持つ反射電子線像を生成することが可能となる。

本発明は、電子線ビームで試料を照射して走査し、質量に対応して多くなる反射電子を検出・増幅して生成した反射電子線像を生成する際に、電子線ビームで試料を照射して走査する条件を倍率変更前と倍率変更後でほぼ同じにし、倍率可変しても適切な濃淡を持つ反射電子線像を生成することを実現した。

図１は、本発明の１実施例構成図を示す。
図１の（ａ）において、ＳＥＭ１は、走査型電子顕微鏡であって、図示の構成を持つものある。

電子銃２は、電子線ビームを発生するものである（例えばタングステン線の先端を鋭利かつ所定面を持つように形成し、高電圧をアノード３に印加して電子ビームを引き出すものである）。

アノード３は、高電圧を印加し、電子銃２を構成する陰極の先端を鋭利かつ所定面を持つように形成したタングステンから放出された電子を加速するものである。

アライメントコイル４は、電子銃２から放出される電子線ビームを偏向して軸合せするためのものである。

コンデンサレンズ５は、電子銃２から放出された電子線ビームを集束するものである。
偏向走査コイル６は、対物レンズ９で試料であるマスク１１上に細く絞られた電子線ビームを、Ｘ方向およびＹ方向に走査するためのものである。

反射電子検出器７は、マスク１１に電子線ビームを照射して走査したときに、当該マスク１１から反射した反射電子を検出するものである。反射電子検出器７で検出された信号をもとに、表示装置２５上に反射電子像を表示する。反射電子検出器８は、通常、円板状で中心に電子線ビームが通過する孔を開け、全周を例えば４分割した扇型であって、４分割した部分の信号の和で質量数に依存した濃淡を持つ反射電子像を表示したり、左右２つの信号の差で形状の凹凸を強調表示したりするようになっている。

２次電子検出器８は、マスク１１に電子線ビームを照射して走査したときに、当該マスク１１から放出された２次電子を収集・検出・増幅するものである。２次電子検出器８で検出された信号をもとに、表示装置２５上に２次電子像を表示する。

対物レンズ９は、電子線ビームをマスク１０上に細く絞るものである。
レーザ干渉計１０は、レーザを放射してステージ１２に取り付けた反射鏡で反射させて取り込んで干渉させ、超高精度にステージ１２の位置（位置座標）を計測する公知のものである。

マスク１１は、ステージ１２の上に搭載（固定）された試料の例である。
ステージ１２は、マスク１１を搭載し、任意の座標位置に正確に移動させるものであって、モータ（あるいは超音波モータ）１３で駆動されるものである。

モータ１３は、ステージ１２を駆動（Ｘ方向、Ｙ方向）するものであって、サーボモータあるいは超音波モータなどである。

ＰＣ２１は、パーソナルコンピュータであって、プログラムに従い各種処理を行うものであり、ここでは、条件記憶手段２２、調整手段２３、走査手段２４、表示装置２５、および入力装置２６などから構成されるものである。

条件記憶手段２２は、電子線ビームをマスク１１に照射して走査し、マスク１１から反射された反射電子を反射電子検出器７で検出して表示装置２５上に反射電子像を表示する際に、電子線ビームがマスク１１を照射する条件（例えば電子線ビームのスポットサイズ、電子線ビームの電流密度（スポットの単位面積当りの電流値）、加速電圧など）を記憶するものである。

調整手段２３は、表示装置２５上に表示するマスク１１の反射電子像の倍率を変えた場合に、変更後の倍率に応じたほぼ同一の条件に調整（例えば電子線ビームのビームスポットがほぼ同一になるように、また、電子線ビームの電流密度がほぼ同一になるように調整）するものである（図２から図５を用いて後述する）。

走査手段２４は、倍率が変更されたときに、調整手段２３で調整された後の条件（電子線ビームのビームスポットサイズ、電子線ビームの電流密度などの調整された後の条件）で電子線ビームを照射して走査するものである（図２から図５を用いて後述する）。

表示装置２５は、反射電子像などの画像を表示するものである。
入力装置２６は、各種指示などを入力するマウス、キーボードなどである。

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、高倍率でジャストフォーカスにし、反射電子像を表示する。これは、操作者あるいはＰＣ２１上で動く自動フォーカスプログラムが図１の対物レンズ９の電流値を調整し、電子線ビームがマスク１１を照射して走査し、反射した反射電子を反射電子検出器７で検出・増幅し、表示装置２５上に拡大して表示した反射電子像が最もシャープ（ジャストフォーカス）になるように調整する。そして、このジャストフォーカスのときの電子線ビームのスポットサイズと電流密度を記憶する（ここでは、図示のように、スポットサイズＳ０＝２ｎｍ，電流密度Ｉ０＝２Ａと記憶する）。尚、スポットサイズＳ０は、例えばＳＥＭ１について予め測定したジャストフォーカスのときのサイズ径Ｓ０＝２ｎｍを記憶しておいてこれを読み出して用いる、あるいはマスク１１上に形成した非常にシャープなエッジ部分を走査した画像中で当該エッジ部分の傾斜した幅として求める（振幅が１０％と９０％との間となる距離としてスポットサイズＳ０＝２ｎｍを自動計測する）。また、電子線ビームの電流密度は、現在流れている電子線ビームの電流と、スポットサイズとから電流密度をここではＩ０＝２Ａと算出する。

Ｓ２は、低倍率、反射電子像をジャストフォーカスで表示する。これは、Ｓ１で電子線ビームをマスク１１に照射して走査したときの同様の条件にし、倍率のみを低倍率（電子線ビームをマスク１１で走査する面積を大きく（偏向走査コイル６に流す走査電流を大きく））して指示された低倍率の反射電子像を表示装置２５に表示する。

Ｓ３は、低倍率に対応した歯抜けにならない状態にディフォーカスする。これは、Ｓ２で倍率のみを低倍率に変更した反射電子線像は、例えば図３の（ｂ）のように電子線ビームのスポットが飛び飛びに照射して走査するため（歯抜け状態になるため）、図３の（ｃ）に示すように、電子線ビームのスポットサイズを当該低倍でも歯抜けにならないようにディフォーカス（対物レンズ９の電流を調整あるいは図示外のフォーカスコイルに電流を流して電子線ビームのスポットをディフォーカス（合焦点から外れた位置にフォーカス））し、結果としてマスク１１を照射する電子線ビームのスポットサイズを大きくすると共に、電流密度がほぼ同じとなるように電子銃２のバイアス電圧を調整（あるいはコンデンサレンズ５の電流を調整）する。

Ｓ４は、像を取得する。これは、Ｓ３でディフォーカスして歯抜け状態を無くした状態で、反射電子線像を表示装置２５上に表示すると共に、測長、検査用の反射電子線像を取得して図示外の記憶装置に記憶する。

Ｓ５は、基準（ＣＡＤ）像と取得した像とを比較する。これは、基準となるＬＳＩのＣＡＤデータの像と、Ｓ４で取得した歯抜け状態を無くした後の電子線ビームでマスク１１を照射して走査し、取得した反射電子線像とを比較する（例えば、検査対象のパターンの幅などを比較する）。

Ｓ６は、評価する。Ｓ５の比較の結果を評価し、所定許容範囲内であればＳ７の良品と判定し、所定許容範囲外であればＳ８の不良品と判定し、終了する。

尚、上記比較する場合、マスク１１上の基準となる固定パターンの反射電子線像を取得し、当該取得した反射電子線像を２値化するときの閾値を変えて、当該固定パターンのＣＡＤデータ上の画像（設定データの画像）と比較し、一致するときの２値化した閾値を記憶し、以降の比較時には当該閾値で取得した反射電子線像を２値化した後の反射電子線像（閾値で２値化後）とＣＡＤデータ上のパターンの画像とを比較し、許容範囲内のときに良品、許容範囲外のときに不良品と判定する。

以上にように、高倍率でジャストフォーカスで反射電子線像を表示すると共にそのときの電子線ビームのスポットサイズＳ０、および電流密度Ｉ０を記憶し、次に、低倍率にしたときに当該低倍率のときに歯抜けが生じないように、電子線ビームをディフォーカスして適切なスポットサイズに調整すると共に電流密度をほぼ同じ値になるように電子線ビームの電流を調整する。これにより、倍率変更前の高倍率と、倍率変更後の低倍率とで同じ走査条件にでき（電子線ビームをマスク１１に照射して走査する際に、ビームスポットの走査が歯抜けにならないと共に、電子線ビームのスポットがマスク１１を照射する電流密度がほぼ同じにでき）、反射電子ビームをマスク１１に照射して走査して得た反射電子線像について、当該反射電子がマスク１１の質量（平均原子番号）の増加に伴い反射率が大きくなるという特質を充分に活かし、かつ倍率変更前と倍率変更後で同じ条件であるので反射電子線像の濃淡をほぼ同じにし、評価、検査（良品、不良品）を精度良好に行うことが可能となった。以下詳細に説明する。

図３は、本発明の説明図を示す。
図３の（ａ）は、高倍率の反射電子線像の電子線ビームのスポットサイズを示す。ここでは、例として、電子線ビームのスポットサイズ０．１μｍφで、０．８μｍ×１．０μｍの矩形範囲を走査する場合を模式的に示す。横は、０．８μｍであるので、８個の電子線ビームのスポットを順次横方向にシフトすることで走査する。そして、縦は、１．０μｍであるので、１０回の電子線ビームのスポットを横方向に順次走査することを繰り返すことで走査する。今、２００ｎｍ×８００ｎｍのマスク１１上のパターンについては、図示のように、丁度、合計１６個のビームスポットで走査され、それに対応した反射電子線像を表示できる。

図３の（ｂ）は、低倍率（調整前）の例を模式的に示す。これは、図３の（ａ）の高倍率の状態で調整した後、低倍率に倍率のみを変更した場合の様子を模式的に示す。図示の低倍率では、電子線ビームのビームスポットが高倍率のままであるので、歯抜けが発生し、矩形の部分（２００ｎｍ×８００ｎｍの矩形の部分）には、電子線ビームが左上では５個しか照射されず、図３の（ａ）の１６個から５個になって大幅に少なくなり、当該矩形の部分の濃度が大幅に暗くなってしまう欠点がある。これを解決したのが、本発明の図３の（ｃ）である。

図３の（ｃ）は、低倍率（調整後）の例を模式的に示す。これは、図３の（ｂ）で歯抜けとなった状態を解消したものであって、全体が電子線ビームのスポットサイズを大きく（図示では、０．２μｍφ）かつ電流密度をほぼ同一（電流を４倍にして電流密度をほぼ同一）にして走査したものであって、矩形の部分（２００ｎｍ×８００ｎｍ）に照射されて走査される電子線ビームの量は、図４の（ａ）の矩形の部分（２００ｎｍ×８００ｎｍ）とほぼ同じであり、反射電子線像上で倍率を低くしても矩形の部分はほぼ同じ濃度で表示させることが可能となる。

以上にように、倍率を変えた場合には、倍率変更後の電子線ビームでマスク１１を照射して走査するビームスポットが歯抜けとならないように大きく（あるいは重畳しないように小さく）すると共に電流密度をほぼ同じにするように電流を大きくする（あるいは小さくする）ことにより、倍率変更後の反射電子線像上で図示の矩形部分の濃度をほぼ同じにし、ＣＡＤデータ上のパターン画像と、倍率を変えたときの反射電子線像との比較を容易にし、良品、不良品の検査を精度良好かつ容易に行うことが可能となる。

尚、走査線方向にデジタルでドット単位に走査してマスク１１上の点を電子線ビームの所定スポットで順次照射する場合について説明したが、走査線方向にアナログ的に走査する場合には、デジタルでドット単位に走査するとほぼ同じように、電子線ビームの所定スポットでアナログの一定の走査速度で走査するようにする。

また、倍率を高倍率から低倍率に変更する場合について図３の（ｃ），（ｃ）で記載したが、図３の（ｃ）の低倍から図３の（ｂ）の高倍にする場合には逆にすればよい（倍率が高くなるに従い、電子線ビームのスポットサイズを重複がないように小さくすると共に、電流密度をほぼ同じとなるように電流を小さく調整すればよい）。

図４は、本発明のスポットサイズと、対物レンズ電流の関係図を示す。
図４の（ａ）は、スポットサイズと対物レンズ電流の関係曲線の例を示す。横軸は対物レンズの電流であり、縦軸はマスク１１上の電子線ビームのビームスポットサイズである。対物レンズの電流を小さい方からジャストフォーカス、更に大きい方に調整すると、図示のように、スポットサイズ（マスク１１上の電子線ビームのスポットサイズ）は大きいサイズからほぼジャストフォーカスのときに最も小さいスポットサイズとなり、再び大きなスポットサイズへの変化する。図示の対物レンズ電流とスポットサイズの関係を正確に測定し、以降はジャストフォーカスを起点に、図示の曲線をもとに必要なスポットサイズに調整するときに必要な電流変化量を求めて対物レンズに流せばよい。尚、横軸を対物レンズ９としたが、対物レンズ９に同軸に空芯の別の独立したシフトコイルを設け当該シフトコイルに倍率変更時に必要な電流変化量を求めて流すことで、ヒステリシスなどの影響を低減することが可能となる。

図４の（ｂ）は、高倍率の場合の例を示す。高倍率では、ジャストフォーカスにしたとき、通常は、図示のように電子線ビームのスポットサイズは歯抜けがない状態になっている。

図５は、本発明の反射電子線像の説明図を示す。
図５の（ａ）は、反射電子信号の強度を表す。横軸は原子番号（質量）であり、縦軸は電子線ビームをマスク１１に照射したときに当該マスク１１上の照射された位置の物質の原子番号に対応する反射電子信号（点線は２次電子信号）の強度を模式的に表す。反射電子信号は、照射した物質の原子番号が大きくなると、その反射率が大きくなって図示の実線の曲線のように反射電子信号の強度が大きくなるので、原子番号の違う物質を濃淡として検出することが可能となる。特に、上述したように取得した反射電子像を２値化するときの閾値を適切に設定することで、原子番号の大きな物質の区別を画像上で行うことが可能となる。この際、倍率を変更したときに、本発明で倍率変更前の反射電子像と、倍率変更後の反射電子像とをほぼ同じ濃度で生成した後、適切な閾値で２値化した２値画像と、設計データ（ＣＡＤデータ）上の画像とを比較し、許容範囲内のときに良品、許容範囲外のときに不良品と自動判定することが可能となる。

一方、点線で示す２次電子信号の場合には、原子番号が小さい番号のときは原子番号の増加に従い強度が大きくなるがすぐに飽和していまうので、原子番号が大きい物質ではその強度がほぼ同じとなり、２次電子線像の濃度でこれら原子番号の大きい物質を区別すること不可である。

図５の（ｂ）は、反射電子線像とＣＡＤ（設計データ）像との比較を説明する図を示す。

図５の（ｂ−１）は反射電子線像の例を示し、図５の（ｂ−２）はＣＡＤデータ像の例を示す。反射電子線像は、上述したように、倍率変更してもほぼ同じ条件（電子線ビームのビームスポットサイズ、ビームスポットの電流密度がほぼ同一の条件）で取得して左側に示すようにほぼ濃度を同一にして表示するので当該左側の反射電子像と、右側に示すＣＡＤデータ像とをマッチングし易く、簡易かつ精度良好に良品、不良品を評価（判定）することが可能となる。

この際、上述したように、マスク１１上の固定パターンについて取得した反射電子像を、各種閾値で２値化した複数の２値画像と、当該固定パターンのＣＡＤデータ上の２値画像とを比較して一致する閾値を算出し、算出した閾値で以降、マスク１１上から取得した反射電子線像を２値化した画像（図５の（ｂ−１）の反射電子像の２値化した画像）と、ＣＡＤデータ上の２値化した該当画像とを比較し、許容範囲内のときに良品、許容範囲外のときに不良品と判定することにより、反射電子像を使って、高精度にパターンの良品の判定を行うことが可能となる。

本発明は、電子線ビームで試料を照射して走査し、質量に対応して多くなる反射電子を検出・増幅して生成した反射電子線像を生成する際に、電子線ビームで試料を照射して走査する条件を倍率変更前と倍率変更後でほぼ同じにし、倍率可変しても適切な濃淡を持つ反射電子線像を生成する検査装置および検査装置の照射ビームサイズ調整方法に関するものである。

本発明の１実施例構成図である。 本発明の動作説明フローチャートである。 本発明の説明図である。 本発明のスポットサイズと対物レンズ電流の関係図である。 本発明の反射電子線像の説明図である。

符号の説明

１：ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）
２：電子銃
３：アノード
４：アライメントコイル
５：コンデンサレンズ
６：偏向走査コイル
７：反射電子検出器
８：２次電子検出器
９：対物レンズ
１０：レーザ干渉計
１１：マスク
１２：ステージ
１３：モータ
２１：ＰＣ（パソコン）
２２：条件記憶手段
２３：調整手段
２４：走査手段
２５：表示装置
２６：入力装置

Claims (7)

1. 電子線ビームで試料を照射して走査し、質量に対応して多くなる反射電子を検出・増幅して反射電子線像を生成する検査装置において、
   倍率の変更指示があったときに、当該変更指示された倍率にしたときに変更前の条件がほぼ同一となるように電子線ビームのスポットサイズを調整する手段と、
   前記調整された後の電子線ビームで前記変更指示された倍率に対応して前記試料を照射して走査する手段と
   を備えたことを特徴とする検査装置。
2. 前記電子線ビームのスポットサイズの調整時に、合わせて電子線ビームの電流密度を調整することを特徴とする請求項１記載の検査装置。
3. 前記条件がほぼ同一となるように電子線ビームのスポットサイズを調整するとして、倍率変更前および倍率変更後で１走査線のスポット数（あるいは１走査線の走査時間）および１画像の走査線数を同一とし、かつ、１走査線のスポット数（あるいは１走査線の走査時間）で当該１走査線をほぼ満たし（あるいは１走査線をほぼ均一に走査し）て隙間ができないスポットサイズ、あるいは１画像の走査線数で当該１画像をほぼ満たして隙間ができないスポットサイズとしたことを特徴とする請求項１あるいは請求項２記載の検査装置。
4. 前記条件がほぼ同一となるように電子線ビームの密度を調整するとして、倍率変更前および倍率変更後で電子線ビームのスポットの単位面積当りの電流をほぼ同一とし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検査装置。
5. マスク上の所定パターンについて取得した前記反射電子線像を２値化する閾値を変えたときの２値画像と、当該マスク上の所定パターンの設計データ上のパターンの２値画像とを比較して一致する閾値を算出する手段と、
   前記算出した閾値で、取得した反射電子線像を２値化した２値化画像を生成する手段と
   を備えたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の検査装置。
6. 前記算出した閾値で、取得した反射電子線像を２値化した後の２値画像と、設計データ上のパターンの２値画像とを比較し、許容範囲内のときに良品、許容範囲外のときに不良品と判定する手段を備えたことを特徴とする請求項５記載の検査装置。
7. 電子線ビームで試料を照射して走査し、質量に対応して多くなる反射電子を検出・増幅して反射電子線像を生成する検査装置の照射ビームサイズ調整方法において、
   倍率の変更指示があったときに、当該変更指示された倍率にしたときに変更前の条件がほぼ同一となるように電子線ビームのスポットサイズおよび必要に応じて電子線ビームの電流密度を調整するステップと、
   前記調整された後の電子線ビームで前記変更指示された倍率に対応して前記試料を照射して走査するステップと
   を有する検査装置の照射ビームサイズ調整方法。

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