JP2011034741A - 気体分析装置及びそれを用いた検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検査装置内部の汚染に起因した、形状観察、寸法精度の観察分解能の低下を防止及び観察対象の汚染を抑制する。
【解決手段】検査装置内部の汚染をモニターする手段として、固体表面に汚染成分を吸着し、吸着した汚染成分を加熱ガス化して気体分析装置により検出する。
モニターした汚染量に応じて、検査装置内の清浄化を実施する。検査装置清浄化は、試料観察室に酸素の活性種を生成する手段を設け、観察室内部に残留している汚染を低減し、汚染影響による観察分解能の低下が少ない形状観察や寸法測定を可能とするとともに、観察対象の試料の汚染を防止する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体装置等の検査を行う検査装置内の気体を分析する技術に関する。

走査電子顕微鏡を用いて観察を行った際には、電子線を照射した部分、すなわち観察部分に汚染物質が堆積することがよく知られている。試料汚染物質堆積の原因となるのは、試料上や装置内雰囲気中に存在する、有機系分子等が考えられている。この様な有機系分子は、電子線エネルギーを受けることにより固体化し、試料上の堆積することが報告されている。 このような試料汚染現象は、電子顕微鏡形状観察の精度を低下させる。

このような走査型電子顕微鏡における、試料汚染物質堆積の防止に関する従来技術としては、特許文献１や、特許文献2に開示されたものがある。
特許文献１では、冷却板を断熱体とバネを介して対物レンズに取り付け、対物レンズ下面および試料自体から放出されたガスを冷却板で吸着しトラップするものである。冷却により試料汚染を防止するという方法は現在最も一般的な方法であり、試料近傍のガスをトラップする、すなわち試料近傍に存在するガス分子の数を減少させることによって、試料汚染を防止するというものである。

また、特許文献2では、電子ビーム照射によって試料から発生したハイドロカーボン系のガス等が鏡体内に蓄積して、試料汚染堆積の原因となるので、鏡体と試料観察室の間を真空的に隔絶するような隔離膜を設けて試料汚染を防止している。

関連発明として、電子線観察装置内における汚染物質（炭化水素分子など）を除去する方法が、特許文献3で開示されている。また，試料観察室のクリーニングを効率よく実施するために、質量分析計を用いて試料観察室内の有機分子をモニターする技術は特許文献4に開示されている。

特開平5−82062号公報 特開平10−64467号公報 特開2001-325912号公報 特開平10-12173号公報

電子ビームを観察試料上に走査して、観察した試料から発生する二次電子または反射電子により、試料上に形成したパターン形状、あるいは寸法を測定・観察する電子ビーム検査装置は、半導体素子の微細化が進むにつれて、その役割の重要性が増している。
試料表面に汚染物質が堆積した場合、観察試料表面は真の形状を表しているわけではなく、汚染物質堆積後の表面形状を表している。観察中に寸法，形状が変化することは致命的な問題となってしまう。また、半導体のパターン寸法計測を行う電子ビーム検査装置では、測定誤差の問題だけではなく、観察時の汚染物質の堆積により、コンタクトホール径が小さくなり、場合によってはコンタクトホールが塞がってしまうという問題や、配線幅の増加により素子短絡も起こるため、製品の不良の原因にもなる。
近年、半導体の微細化が進み、サブミクロンオーダーのパターンやコンタクトホールの寸法計測，形状観察が行われるようになり、倍率を数万〜十数万倍の高倍率で観察する場合が多い。高倍率で観察した場合、汚染物の堆積量はパターンの１０％程度に、例えば、０.５ μｍのパターンに対して数十ｎｍというレベルになることもある。

今後、さらに半導体の微細化が進むと、より高い寸法計測の精度が要求され、汚染物の堆積量も数nm以下に抑制しなければならない。また、半導体デバイスの高度化、高性能化に伴い、試料観察室導入時の気相から微量の汚染物質吸着が、観測対象の半導体デバイスの電気的性能やプロセス歩留りに悪影響及ぼすことが懸念されている。

上記課題を解決するためには、より厳密な微量汚染管理が必要となる。電子ビーム検査装置の試料観察室その他の真空容器内の汚染を極限まで低減しなければならない。その場合、特に問題となるのが、高分子量有機分子である。高分子量のため真空ポンプで排気しにくく、電子ビーム検査装置内に最後まで残留する。また、高分子量有機物は、試料表面に吸着しやすく、極微量でも試料表面に吸着し表面汚染の原因となる。

厳密な微量汚染管理のためには、汚染検出、モニター手段が重要となる。特許文献４には単純な気相成分の質量分析によるモニター手段が記述されている。しかしながら、問題となる微量の高分子量有機物の検出には感度不足であるという課題があった。

本発明の目的は、微量の高分子量有機成分の高感度な分析技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の検査装置においては、微量汚染管理が必要となる試料観察室に予め吸着体を用意し、吸着体に吸着した成分を加熱脱離させ、質量分析計で検出する機構を設ける。

本発明によれば、観察室中の微量の高分子量有機物を高感度に検出可能とすることが可能になる。

本発明の実施例にかかる電子ビーム検査装置の構成図である。 本発明の実施例にかかる汚染モニタープロセスフローである。 本発明の実施例１にかかる、検出した汚染成分の質量スペクトルである。 本発明の実施例１による酸素活性種による汚染除去を行った直後、試料観察室の汚染成分の質量スペクトルである。 本発明の実施例２にかかる試料観察室の構成図である。 本発明の実施例２で折りたたみワイヤーを使用した試料観察室の構成図である。 本発明の実施例２の方式により検出した汚染成分の質量スペクトルである。 本発明の実施例３にかかる試料観察室の構成図である。 本発明の実施例２の方式により検出した汚染成分の質量スペクトルである。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明に関わる、実施例１の電子ビーム検査装置の概略構成を示している。図１において、電子銃室１，コンデンサレンズ室２，試料観察室３が縦方向に配置され、コンデンサレンズ室２と試料観察室３の間には中間室４が設けられている。また、試料観察室３に隣接して予備排気室５が配置され、この予備排気室５の上部には試料交換室６が設けられている。
電子銃室１には、電子銃７，引出電極８，加速電極９および固定絞り１０が、コンデンサレンズ室２にはコンデンサレンズ１１が、中間室４には偏向コイル１２，対物レンズ１３および対物レンズ固定絞り１４が各々設けられている。また、試料観察室３には試料ホルダ１５が設けられ、この試料ホルダ１５の上に試料１６が設置される。試料観察室３と予備排気室５との間にはゲートバルブ１７を設置し、このゲートバルブ１７の開閉によって、試料観察室３と予備排気室５間を試料ホルダが移動する。予備排気室５と試料交換室６との間にはゲートバルブ１８を設置し、このゲートバルブ１８の開閉によって、試料交換室６と予備排気室５間を試料ホルダが移動する。
電子銃室１には真空ポンプ１９，２０が、コンデンサレンズ室２には真空ポンプ２１がそれぞれ接続され、鏡体が電子源７から安定した電子線を得るために真空ポンプ１９，２０，２１で差動排気され、これによって、電子銃室１およびコンデンサレンズ室２は１０^-7Ｐａ以下の圧力に減圧されている。

試料観察室３には真空ポンプ２２が接続され、１０^-3Ｐａ以下に真空排気されている。さらに予備排気室５には真空ポンプ２３が接続され、予備排気室５は１０^-2Ｐａ以下に真空排気されている。
また、中間室４には、電子銃７からの電子ビームＢ１を試料１６に照射したときに、試料１６表面からの二次電子または反射電子Ｂ２を検出する反射電子・二次電子検出器２４が取り付けられている。また、２５は試料観察室３と中間室４とを連結する排気バイパスである。
試料１６を観察するため試料観察室３まで搬送する場合は、以下の手順によって行う。試料交換室６を粗引きポンプで排気する。次に試料ホルダ１５を下降と共に下降させ、予備排気室５まで搬送される。予備排気室５内が１０^-2Ｐａ以下に真空排気された後、ゲートバルブ１７を開けて、試料１６を上面に載せた状態で試料ホルダ１５を、ゲートバルブ１７を介して、試料観察室３に搬送する。試料観察室３内では試料ホルダ１５は電子銃７のほぼ真下に位置させる。その後、ゲートバルブ１７を閉じ、真空ポンプ２２によって試料観察室３内を１０^-3Ｐａ以下に真空排気する。
試料観察室３内が１０^-3Ｐａ以下に真空排気されたら、電子銃７から電子ビームＢ１が、引出電極８に印加された電圧により引き出され、その引き出された電子ビームＢ１は加速電極９に印加された加速電圧により所望のエネルギーに調整される。さらに、電子ビームＢ１は固定絞り１０を通過した後、コンデンサレンズ１１，対物レンズ１３により試料１６上に収束される。収束された電子ビームＢ１は変更コイル１２により試料１６上を走査する。このとき、試料１６表面からは二次電子および反射電子Ｂ２が発生し、これら二次電子および反射電子Ｂ２は反射電子・二次電子検出器２４によって検出され、試料像を得ることができる。

試料１６が試料観察室３に導入されると、有機物主体の残留ガス成分の試料への吸着が起こる。そこへ電子線Ｂ１を照射することにより、吸着した残留ガス成分が電子線からエネルギーを受け、試料１６の表面に徐々に堆積する。堆積は、気相からの残留ガスの入射及び吸着した成分の表面拡散の両方の寄与で起こる。いずれにしても残留ガス成分が多くなると堆積量は増える。堆積量が増えると寸法計測誤差が大きくなり、正確な計測が不可能となる。従って、正確な計測の実現には、有機物残留ガス分子を的確に低減することが必要である。

電子銃室１あるいは試料観察室３内のガスが存在することが問題となる。電子銃室１、試料観察室３に存在するガスには、試料観察室３の内壁に付着していることが原因で放出するガスや、試料観察室を構成する部品からの放出ガス、さらには、持ち込んだ試料表面、あるいは裏面からの放出ガスがある。当然、測定試料が増加するに従い、試料から発生したガスは試料観察室に蓄積することになる。

上記のプロセスで試料観察室３内に蓄積したガス成分は、試料観察室３に試料１６を導入すると、試料１６に吸着して問題をひき起こす。これを抑制するためには何らかのクリーニング手段を設ける必要がある。ただし、的確なクリーニングのためには、試料観察室３内のガス成分を検出・モニターし、最適なタイミングでクリーニングする機構が必須である。

この場合に、ガス成分のモニター上の課題となるのが、分子量200以上の高分子量有機物の検出である。高分子量有機物は存在量が極微量でもウエハ表面に吸着する。従って、問題をおこすポテンシャルが高い。それでありながら、高分子量有機物はターボ分子ポンプで排気することが困難で、真空槽内に残留しやすい。

一方、高分子量有機物は、従来のモニター手段である、単純な気相の質量分析法では検出することが困難である。これは蒸気圧が極めて低く、気相における存在量が非常に微量となるためである。

本実施例では、基板に吸着した成分を検出することにより、試料観察室３、電子銃室１、試料交換室６と予備排気室５に存在するガス成分をモニターする。

本実施例のモニター方式を試料観察室３のガス成分モニターに適用した実施例１を図１で説明する。

この実施例１では、試料観察室３内部に、モニター用の基板100を備える。モニター用基板100は伝導体で、ワイヤー101が溶接され、ワイヤーは試料観察室３外部に設置されている電源102に接続されている。また試料観察室内部に質量分析計103を備える。

モニター用基板100は試料観察室内3の雰囲気に曝されると、その表面にガス成分が吸着される。一定時間暴露されたのち、電源102よりワイヤー101を通してモニター用基板100に通電する。通電することによりモニター基板100は急速昇温され、吸着した成分が脱離、試料観察室内に放出され、質量分析計103で検出される。その後、モニター基板100は自然冷却し常温に戻る。このサイクルを繰り返すことにより、試料観察室内のガス成分の時間変化をモニターする。すなわち、モニター基板１００昇温と質量分析計１０３の測定を同期させて行う。

図２にそのサイクルを示す。モニター基板１００を、真空排気された試料観察室内３の気体に常温で曝す（ステップ２０１）。この間に、試料観察室３の気体の分子がモニター基板１００の表面にファンデルワールス力により物理吸着される。そして、所定の時間が経過したら、または外部からの指示により、試料観察室内３の気体の分析を開始する。分析に当たっては、常温であったモニター基板３に通電を行うことにより、約１０００℃に加熱する（ステップ２０２）。このとき、モニター基板１００に物理吸着されていた気体の分子が熱エネルギーにより脱着し、試料観察室３内（特にモニター基板１００の周囲）の気体密度が一時的に上がる。このときに、質量分析器１０３は、気体の検出を行う（ステップ２０３）。気体の検出を行った後は、モニター基板１００の加熱を止めることにより、モニタ基板１００が冷却され室温になり、気体を吸着しやすい温度となる（ステップ２０４）。

ここでポイントとなるのはモニター基板100を1000℃程度まで数秒程度（本実施例では７秒）で急速に昇温することである。これにより、吸着した高分子量有機物を、瞬間的に試料観察室３内に放出し、試料観察室３内部の高分子量有機物の分圧を瞬間的に高め、質量分析計103で検出しやすくする。すなわち、モニター基板１００を試料観察室の壁から離して配置することで、急速昇温を行うことができる。ここでいう急速昇温とは、室温（１００℃以下）から８００℃以上へ60秒以内に温度が上がれば十分である。

モニター基板100の暴露時間は長ければ長いほど吸着量が増加し、結果的に感度は向上する。しかしながら、単位時間あたりのモニター回数は少なくなる。本実施例では、暴露時間を30分から1時間とした。

また、モニター基板の表面の材料としては、気体の吸着及び脱着のしやすさ、加熱のしやすさを考慮すると、ニッケル、タングステン、タンタル、銅、金、シリコン等が適している。

図３に例として、測定結果を示す。横軸は検出された分子のイオンの質量を示し、縦軸はその検出量を示している。ここには、通常の気相の質量分析では検出困難な、高分子量有機物であるジオクチルフタレート（以後、DOPと称す）に起因する質量数149が明確に観測されている。このDOPは、例えば、電子ビーム検査装置の測定対象である半導体の表面に付着し、性能劣化をもたらす。他にも、有機シリコンと見られるピークが質量数73、221に観測されている。これらはいずれも、通常の気相の質量分析では検出できなかった。

さらに本発明の実施例の電子ビーム検査装置には試料観察室３に酸素活性種生成装置104が取り付けられている。ここで酸素活性種を生成する手段は、例えば、本実施例では、試料観察室３内にリークバルブ１５０を通して酸素を導入し、その後、プラズマを発生させることによって生成するが、他の方法によってもよい。生成した酸素活性種は有機物の結合に作用し、有機物を分解する。これにより試料観察室３内の有機物を除去することが可能となる。

ただし、酸素活性種の導入中は電子ビーム検査装置を動作させることはできないので、この導入回数は必要最小限で適切なタイミングで行うことが重要である。本実施例では、前記モニター基板100を用いた方式により、有機物をモニターすることにより、試料観察室３内の有機物量を適切に把握することが可能である。それにより最適なタイミングでクリーニングすることが可能である。

図４は、本発明の実施例であるプラズマによる酸素活性種を用いた場合の汚染低減効果を示したものである。前述した図３の例では、汚染除去処理を行っていないが、本例と比較すると、雰囲気中の炭化水素系ガスが明らかに低減していることが判る。

なお、本実施例では、気体を分析するのに質量分析計を用いたが、これに限られるものではなく、電離真空計やB-Aゲージを用いてもよい。

次に別の形態の実施例２について説明する。実施例１と基本構成は同じであるが、モニター基板100の代わりに、ワイヤー１０５を使用した点が特徴である。

図５は実施例２のモニター方式を試料観察室３のガス成分モニターに適用したものである。実施例２では、試料観察室３内部に、モニター用の線状ワイヤー１０５を備える。線状ワイヤー１０５は電気伝導体で、ワイヤーは試料観察室３外部に設置されている電源１０２に接続されている。また試料観察室３内部に質量分析計１０３を備える。

以下の手順は実施例１とほぼ同様である。ワイヤー１０５は試料観察室１０３内の雰囲気に曝されると、その表面にガス成分が吸着される。一定時間曝されたのち、電源１０２よりワイヤー１０５に通電する。通電することによりワイヤー１０５は急速昇温され、吸着した成分が脱離、試料観察室内に放出され、質量分析計１０３で検出される。その後、ワイヤー１０５は自然冷却し常温に戻る。このサイクルを繰り返すことにより、試料観察室内のガス成分の時間変化をモニターする。

実施例２は特別なモニター基板を用意せず、線状ワイヤー１０５を使用するので、作りやすく、信頼性も高い利点がある。一方、単純な線状ワイヤーでは。表面積が充分でなく、吸着量を稼げない可能性もある。それに関しては図６に示すように折りたたみ状ワイヤー１０６として表面積を増加させることが有効である。

図７に実施例２の構成で試料観察室２にモニターしたスペクトルを示す。実施例１同様にDOPシロキサン起源のピークが明確に観測される。

次に別の形態の実施例３について説明する。実施例１と基本構成は同じであるが、雰囲気の成分を吸着する吸着体にモニター基板１００の代わりに、表面積の大きい多孔質体を用いたことが特徴である。

図８を使い実施例３について説明する。図９は実施例３のモニター方式を試料観察室３のガス成分モニターに適用したものである。

実施例３では、試料観察室３内部に、多孔質体１０７及びそれを支持する支持体１０８、多孔質体１０７を加熱するヒーター１０９よりなる。ヒーターに通電するためのワイヤー１１０は試料観察室３外部に設置されている電源１０２に接続されている。また試料観察室３内部に質量分析計１０３を備える。

以下の手順は実施例１とほぼ同様である。多孔質体１０７は試料観察室１０３内の雰囲気に曝されると、その表面にガス成分が吸着される。一定時間曝されたのち、電源１０２よりヒーター１０９に通電する。通電することによりヒーター１０９は急速昇温され、吸着した成分が脱離、試料観察室内に放出され、質量分析計１０３で検出される。その後、多孔質体１０７は自然冷却し常温に戻る。このサイクルを繰り返すことにより、試料観察室内のガス成分の時間変化をモニターする。

実施例３は表面積の大きい多孔質体１０７を使用するため、雰囲気中のガス成分をより多く吸着することが可能である。多孔質としては、活性炭、シリカゲル、ポーラスポリマー、あるいは微粒子等を使うことができる。

図９に実施例３の構成で試料観察室２にモニターしたスペクトルを示す。実施例１、２同様にDOP、シロキサン起源のピークが明確に観測される。また検出感度は10倍程度であり、より高感度な検出が可能であった。

なお、各実施例では、試料観察室３を例に記述したが、汚染の問題は試料観察室３のみではなく電子銃室１、試料交換室６と予備排気室５でも共通の問題であり、各実施例で示した手段は、電子銃室１、試料交換室６と予備排気室５いずれにも適用できる。

上記、各実施例で示した手段を講じることによって、電子ビーム検査装置の汚染状態を観察するだけではなく、汚染状態に応じて、汚染除去を実施することで、常時、測定障害を限りなく低減した測定環境を提供することが可能となる。

１…電子銃室、２…コンデンサレンズ室、３…試料観察室、４…中間室、５…予備排気室、６…試料交換室、７…電子銃、８…引出電極、９…加速電極、１０…固定絞り、１１…コンデンサレンズ、１２…偏向コイル、１３…対物レンズ、１４…対物レンズ可動絞り、１５…試料ホルダ、１６…試料、１７，１８…ゲートバルブ、１９〜２３…真空ポンプ、２４…反射電子・二次電子検出器、２５…排気バイパス、１００…モニター用基板、１０１…ワイヤー、１００…モニター用基板、１０２…電源、１０３…質量分析計、１０４…酸素活性種生成装置、１０５…ワイヤー、１０６…折りたたみワイヤー、１０７…多孔質体、１０８…支持体、１０９…ヒーター、１１０…ワイヤー。

Claims (20)

1. 試料観察室と、
   前記試料観察室内を真空排気する排気手段と、
   前記試料観察室に格納された試料を検査する検査手段と、
   前記試料観察室内の気体成分を分析する気体分析手段とを備えた検査装置において、
   前記試料観察室内に設けられた吸着手段と、
   前記吸着手段を加熱可能な加熱手段を設けたことを特徴とする検査装置。
2. 請求項１において、
   前記吸着手段は、前記試料観察室の壁から離れて設けられていることを特徴とする検査装置。
3. 請求項１において、
   前記吸着手段は、金属であり、
   前記加熱手段は、当該金属への通電により加熱を行うことを特徴とする検査装置。
4. 請求項１において、
   前記加熱手段による前記吸着手段の加熱と、前記気体分析手段の検査が同期して行われることを特徴とする検査装置。
5. 請求項３において、
   前記金属は、ニッケル、タングステン、タンタル、銅、金であることを特徴とする検査装置。
6. 請求項１において、
   清浄化手段を備え、
   前記気体分析手段の分析結果に基づいて、前記清浄化手段を稼動させることを特徴とする検査装置。
7. 請求項３において、
   前記吸着手段は、板状の金属であることを特徴とする検査装置。
8. 請求項３において、
   前記吸着手段は、ワイヤ状であることを特徴とする検査装置。
9. 請求項１において、
   前記吸着手段により、前記観察室内の気体を吸着し、
   前記加熱手段の加熱により、前記吸着した気体を脱着し、
   前記気体分析手段が、当該脱着した気体を分析することを特徴とする検査装置。
10. 請求項１において、
    前記気体分析手段として質量分析装置を備えることを特徴とした検査装置。
11. 請求項１において、
    前記気体分析手段として、電離真空計を用いることを特徴とした検査装置。
12. 請求項１において、
    前記気体分析手段として、B-Aゲージを用いることを特徴とした電子ビーム検査装置。
13. 請求項１において、
    前記吸着手段は、多孔質体であることを特徴とする電子ビーム検査装置。
14. 請求項６において、
    前記清浄化手段は、酸素活性種を導入する手段であることを特徴とした電子ビーム検査装置。
15. 請求項１０記載において、
    前記酸素活性種を導入する手段がプラズマであることを特徴とする検査装置。
16. 真空に保持される検査装置の試料観察室内の気体を分析する分析装置において、
    気体を吸着させる吸着手段と、
    前記吸着手段を加熱する加熱手段と、
    気体を分析する分析手段とを備えたことを特徴とする分析装置。
17. 請求項１６において、
    前記吸着体は、前記加熱により、前記吸着した気体を脱着し、
    前記分析手段は、前記脱着した気体を分析することを特徴とする分析装置。
18. 請求項１６において、
    前記加熱と前記分析は、同期して行われることを特徴とする分析装置。
19. 吸着体を分析対象の気体中にさらす工程と、
    前記吸着体を加熱する工程と、
    前記加熱と同期して、気体を分析する分析工程とを含む気体分析方法。
20. 請求項１９において、
    前記吸着体は、前記分析対象の気体を吸着するとともに、
    前記加熱により、前記吸着した気体を脱着することを特徴とする気体分析方法。

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