JP2013084344A - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】荷電粒子線装置の制御回路と制御対象機器との間で偏向信号及び検出信号に対するノイズが生じる。一方で、ノイズ対策のために制御回路と制御対象機器とを接続するケーブルを短くすると試料室内部のメンテナンスが困難になる。本発明の目的は、メンテナンス性を損なうことなく、ノイズの影響を低減した高画質の画像が得られる荷電粒子線装置を提供することにある。
【解決手段】荷電粒子線を試料に照射するカラムと、前記カラムの内部の機器を制御する制御ユニットと、前記制御ユニットを移動させる移動機構とを備えることを特徴とする。制御ユニットを荷電粒子線照射による画像取得時にはカラムの近傍に配置し、保守時にはカラムから離れるように移動可能にする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子ビームなどの荷電粒子線を用いて試料の微細構造を観察する荷電粒子線装置に関する。

走査電子顕微鏡等の荷電粒子線装置では、細く絞った荷電粒子線を試料上に走査偏向し、試料から発生した各種信号を検出して画像を生成する。近年、半導体デバイスの構造の微細化が進んでおり、半導体デバイスを観察する荷電粒子線装置には、高分解能化、高倍率化が求められている。高分解能化、高倍率化を進めると周辺装置や装置内部で発生する電磁波や電界などのノイズの影響が顕著になり、生成した画像の画質が低下する問題がある。

また、試料に照射した荷電粒子線によって、試料表面が帯電（チャージアップ）し、その影響で荷電粒子線ビームがドリフトするという問題が生じる場合があるが、このような帯電はビームを高速に走査することによって低減されることがわかっている。ビームの偏向方法には、コイルに電流を流して発生させた磁界を利用する電磁方式と電極に電圧を加えて発生させた電界を利用する静電方式がある。電磁方式は、コイルが誘導性負荷であるために静電方式に比べて応答性が悪く、高速走査には静電方式が有効である。しかし、静電方式は、応答性が故にノイズの影響を受け易い問題がある。

特開２００３−１９７１４１号公報（特許文献１）には、回路パターンが形成されたウェーハに荷電粒子線を走査偏向し、発生する二次荷電粒子を検出して画像を得て、その画像によって欠陥を検出する荷電粒子線を用いた検査装置において、静電偏向器の増幅部（アンプ部）をカラムに固定してケーブル長を短くする技術が開示されている。

特開２００３−１９７１４１号公報

特許文献１に記載された発明では、増幅部（アンプ部）をカラムに固定することで偏向器までのケーブル長を短くして重畳するノイズを低減しようとしているが、走査信号発生回路から増幅部までのノイズ低減に配慮されていない。増幅部の出力電圧は、最大±２００Ｖ程度であるが、走査信号発生回路から増幅部までの信号電圧は、最大±１０Ｖ程度であり、耐ノイズの観点では、この部分のノイズ対策を強化する必要がある。

偏向器等の制御回路から増幅部までのノイズ対策としては、制御回路自体を偏向器などの制御対象機器が含まれるカラムに近い位置に固定し、制御回路と増幅部および制御対象機器とをつなぐケーブル長を短くすればよい。しかしながら、ケーブル長を短くすると試料室内のメンテナンス等のときに制御回路がカラムや試料室の上蓋と干渉し、メンテナンス性が損なわれる。

本発明の目的は、メンテナンス性を損なうことなく、ノイズの影響を低減した高画質の画像が得られる荷電粒子線装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本願発明の荷電粒子線装置は、荷電粒子線を試料に照射するカラムと、前記カラムの内部の機器を制御する制御ユニットと、前記制御ユニットを移動させる移動機構とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、試料観察するときには制御ユニットをカラムの近くに配置し、メンテナンスのときには制御ユニットをカラム等と干渉しない位置まで移動させることができる。したがって、メンテナンス性も損なうことがなく、ノイズを低減した高画質の画像が得られる。

第１の実施例を説明するための走査電子顕微鏡の概略構成図である。 カラム制御ユニットの構成図の一例である。 第１の実施例の走査電子顕微鏡の保守時の状態を示す図である。 第２の実施例を説明するための走査電子顕微鏡の概略構成図である。 第２の実施例の走査電子顕微鏡の保守時の状態を示す図である。

荷電粒子線装置のひとつである走査型電子顕微鏡に本発明を適用した実施例を示す。

図１は、第１の実施例を説明するための走査電子顕微鏡の概略構成図であり、電子線照射して試料を観察するときの装置の状態を示したものである。走査電子顕微鏡は、本体１と操作卓２によって構成されている。本体１は、電子線を照射するための光学系であるカラム１０と、試料室２０と、試料交換室２４と、電源や後述する制御回路を収納する収納部３とを含む。

観察対象のウェーハ２２は、真空ポンプ２５で真空に維持された試料交換室２４を経由して、試料室２０内の試料ステージ２３上に保持する。カラム１０は、試料室２０の上部に設置し、カラム１０と試料室２０は真空ポンプ２６とイオンポンプ２７によって真空を保持する。カラム１０には、電子線を生成する電子源１１、電子線を偏向する偏向器１３、試料からの信号を検出する検出器１５、電子線を集束するレンズなどの荷電粒子線を照射、偏向、走査、集束、検出するための機器が設置されている。後述するカラム制御ユニット３０は、偏向制御回路３１、信号取込回路３２を含む。カラム制御ユニット３０は、カラム内の各機器とケーブルで接続され、ユーザの指示または予め定められた検査条件に基づいて、カラムに含まれる機器を制御する信号をカラム内の各機器に出力する。電子銃電源３５に接続された電子源１１は電子ビーム１２を生成する。カラム１０内の電子源１１から放射された電子ビーム１２は、偏向器１３により偏向され、試料のウェーハ２２上を走査する。偏向器１３は電磁式でも静電式でもよいが、前述したように静電式のほうがノイズに対して弱いので、特に本発明が有効となる。したがって以下では静電式偏向器として説明する。試料に電子ビーム１２を照射することで発生した二次電子１４を検出器１５によって電気信号に変換する。なお、ここでは二次電子を検出する検出器を示したが、反射電子を検出する検出器であってもよい。二次電子や反射電子など試料の情報をもった信号を二次信号とよぶ。以下、検出器１５は二次信号を検出する全ての検出器を含むものとする。検出器１５から出力された信号は、信号取込回路３２によってアナログ信号からデジタルデータに変換され、全体制御部３６に設けられた画像処理手段はこの信号と電子ビーム１２の走査位置とを対応付けることにより画像データを生成する。生成された画像データは全体制御部３６の画像メモリ３７に記憶される。画像データは、コンピュータ３８に転送され、表示モニタ３９上に表示される。

偏向器への走査信号にノイズがのると電子線の偏向位置がずれるので、偏向制御回路３１で制御された偏向位置と実際電子線が照射された位置が異なる。検出器１５では実際電子線が照射された位置で発生した二次信号を検出するが、画像処理手段ではこれを偏向制御回路３１で制御された偏向位置で発生した二次信号であるとして、誤った位置と対応付けて画像を生成することになる。

また、検出器１５から信号取込回路３２に入力されるまでにノイズがのると、実際に検出した二次信号の量が誤って信号取込回路３２に入力される。画像処理手段では二次信号の量に基づいて画素の明るさを決めるので、画素の明るさが本来の明るさと異なってしまう。

図２は、カラム制御ユニット３０の構成図の一例で、偏向制御回路３１と信号取込回路３２によって構成している。偏向制御回路３１は、走査信号発生回路４１、Ｄ／Ａ変換器４２〜４３、偏向アンプ４４〜４７によって構成される。走査信号発生回路４１は全体制御部３６からの指令により、電子ビームの走査データを発生する。Ｄ／Ａ変換器４２〜４３はアナログの鋸歯状波形を発生させ、走査信号発生回路４１で発生したデジタル走査信号をアナログ走査信号に変換し、偏向アンプ４４〜４７に出力する。走査信号は偏向アンプ４４〜４７で最大±２００Ｖに増幅され、ケーブルで接続された偏向器１３に出力される。偏向器１３は、与えられた走査信号に従って電子ビーム１２を走査偏向する。

また、カラム制御ユニット３０に含まれる信号取込回路３２は、入力アンプ４８、Ａ／Ｄ変換器４９、バッファ５０で構成される。入力アンプ４８は、検出器１５の出力信号のレベルを調整し、検出器１５からの出力信号を増幅する。Ａ／Ｄ変換器４９でアナログ信号からデジタルデータに変換する。デジタルデータは、バッファ５０を経由して全体制御部３６の画像メモリ３７に転送され、走査信号との同期化によって、全体制御部３６で画像データが生成される。

前述したとおり、偏向アンプ４４〜４７の出力電圧は、最大±２００Ｖ程度であるのに対して、走査信号発生回路４１から偏向アンプ４４〜４７までの信号電圧は、最大±１０Ｖ程度であり、耐ノイズの観点では、この部分のノイズ対策を強化する必要がある。そこで、走査信号発生回路４１と偏向アンプ４４〜４７との距離を近づけ、一つの基板で構成し偏向制御回路３１としている。したがって、偏向制御回路３１の偏向アンプ４４〜４７から偏向器までの走査信号に対するノイズを考慮すると偏向制御回路３１自体を偏向器１３に近づける必要がある。

信号取込回路３２においても、検出器１５で検出された信号から入力アンプ４８に伝送されるまでの間は信号が微弱なためノイズに対して弱く、ノイズ低減のためには入力アンプ４８を検出器１５に近づける必要がある。

しかしながら、カラム制御ユニットを偏向器や検出器が含まれるカラムの近傍に配置すると、メンテナンス時にカラム制御ユニットとカラムや、試料室の上蓋と物理的に干渉することがある。これについて以下、図３を用いて説明する。

図３は、本走査電子顕微鏡の保守時の状態を示す図である。試料室内のクリーン度を保つために試料室内をクリーニングしたり、試料ステージ２３に注油をしたりするために試料室上蓋２１を上げるメンテナンス作業が、定期的に実施される。この状態において、カラム制御ユニット３０が、カラム１０に近い位置、例えば試料室の上蓋の上方にあると、カラム１０や試料室上蓋２１に干渉するので、カラム制御ユニット３０が他の機器と衝突して故障したり、ユーザのメンテナンスのしやすさを損なったりすることになる。

そこで本実施例では、カラム制御ユニット３０を移動可能とする移動機構が設けられている。具体的には、カラム制御ユニット３０は図１に示すようにスライドレール３３上に実装されている。移動機構はカラム１０とカラム制御ユニット３０の距離を変えるようにカラム制御ユニット３０を移動させることができる。

試料に電子線を照射し画像を観察する通常の状態では、カラム制御ユニット３０は、カラム１０に近い位置で固定する。カラムに近い位置とは、カラム１０と制御ユニット３０との距離が後述するメンテナンスのときの距離より近い位置のことをいい、例えばカラム１０と制御ユニット３０との距離が収納部３とカラム１０との間隔より短いことをいう。

これにより、偏向制御回路３１の偏向アンプ４４〜４７から偏向器１３までのケーブル長を短くできる。また、同様に検出器１５から信号取込回路３２の入力アンプ４８までのケーブル長を短くできる。具体的には、ケーブル長は収納部３とカラム１０との間隔より短くすることができる。したがって、電子ビーム１２の偏向走査精度の悪化や検出信号のノイズ成分を低減することでき、生成する画像の画質向上が図れる。

一方、メンテナンス時には、偏向アンプ４４〜４７から偏向器１３までのケーブルと検出器１５から信号取込回路３２の入力アンプ４８までのケーブルを外して、カラム制御ユニット３０をカラム１０から遠ざけた位置、例えば収納部３に移動する。なお、カラム１０から遠ざけた位置とは、少なくとも電子線を照射しているときのカラム制御ユニット３０とカラム１０との距離よりカラム１０から遠い位置のことを指す。カラム制御ユニット３０が収納部３に収まれば本体１内の他の機器と相互に干渉することはないので安全が確保されるが、移動先は収納部３に限られずカラムや試料室の上蓋と干渉しない位置であればよい。メンテナンス時には最短の長さで製作しているケーブルを外しているためカラム制御ユニット３０はカラム１０との距離に制限がかかることなく、スライドレール上を移動できる。

なお、メンテナンス時にはケーブルを外してカラム制御ユニット３０を移動することとしているが、カラム制御ユニット３０と全体制御部３６をつなぐケーブルはノイズに強いデジタル信号を伝達するため長さに余裕を持たせることができ接続されたままである。移動機構を設けることで、カラム制御ユニット３０と全体制御部３６をつなぐケーブルを外すことなく、かつ安全にカラム制御ユニット３０を移動させることができる。

これにより、カラム制御ユニット３０がカラム１０や試料室上蓋２１と干渉することがなく、ユーザは容易に試料室内部のメンテナンスすることができる。

以上説明したように、荷電粒子線の偏向制御回路や信号取込回路を格納したカラム制御ユニットを移動可能にすることで、電子線照射時にはカラムの近傍に配置し試料室内のクリーニングなどの保守時にはカラムから離れるように配置することができる。これによって、メンテナンス性を損なうことなく、カラムから制御回路への伝送過程で生じるノイズを低減することができる。

また、先に示した特許文献１では増幅部をカラムに固定しており、回路からの発熱に配慮されていない。増幅部は高速走査に対応して発熱するが、カラムに固定していると熱がカラムに伝わる。カラムに不均一な熱膨張が発生すると荷電粒子線の軸調整がずれるため画質の低下が発生する。

これに対して本実施例では、カラム制御ユニット３０をカラム１０に直接固定せず、ケーブルで接続する構成としているので、カラムに対して直接熱を伝えてしまうことがない。

また、断熱材３４は他の制御装置や電源が収納された収納部３の周りにも設置されており、これらで発生した熱もカラムに伝わらないようにしている。本実施例のカラム制御ユニット３０は電子線の照射時に収納部３から突出した構造となるため、さらに図１に示すようにカラム制御ユニット３０自体を断熱材で覆っている。これによって、カラム制御ユニット３０とカラム１０は、断熱材３４によって温度的に分離されるので、カラム制御ユニット３０で発生した熱が、カラム１０により伝わりにくくなり、電子ビームの軸がずれることがない。

次に図４、図５を用いて第２の実施例について説明する。なお、第１の実施例と同様の部分については説明を省略する。

図４は、第２の実施例を説明するための走査電子顕微鏡の概略構成図であり、電子線照射をするときの装置の状態を上から見た図である。第１の実施例との違いは、カラム制御ユニット３０の移動機構をスライドレール３３から蝶番５３にしている点である。本実施例においても、カラム制御ユニット３０は収納部３から突出して設けられており、これによってカラム制御ユニット３０からカラムへの伝送ケーブルは収納部３とカラム１０との距離よりも短くてすむ。

図５は試料室内部のメンテナンス時の装置の状態を上から見た図である。図５に示すようにカラム制御ユニット３０は、蝶番５３を中心とする回転動作によって、収納部３の内部へ移動させる。メンテナンス時にはケーブルを外しているので、カラムとの距離を気にすることなく、他の機器と干渉しない位置までカラム制御ユニット３０を移動させることができる。本実施例では蝶番５３を用いることでスライドレール３３に比べ移動機構の費用を低減することができる。

以上、走査電子顕微鏡における実施例を説明したが、本発明は走査電子顕微鏡に限られるものではなく、試料に荷電粒子線を照射して加工する集束イオンビーム装置、半導体パターンの測長をするパターン測定装置（ＣＤ−ＳＥＭ）、試料上の欠陥を検査する欠陥検査装置、およびこれらの複合装置等の、各種荷電粒子線装置に適用される。これによって荷電粒子線装置に対する高分解能化、高倍率化の要求に応えることができ、微細構造の半導体デバイスの開発などに貢献できる。

１ 本体
２ 操作卓
３ 収納部
１０ カラム
１１ 電子源
１２ 電子ビーム
１３ 偏向器
１４ 二次電子
１５ 検出器
２０ 試料室
２１ 試料室上蓋
２２ ウェーハ
２３ 試料ステージ
２４ 試料交換室
２５、２６ 真空ポンプ
２７ イオンポンプ
３０ カラム制御ユニット
３１ 偏向制御回路
３２ 信号取込回路
３３ スライドレール
３４ 断熱材
３５ 電子銃電源
３６ 全体制御部
３７ 画像メモリ
３８ コンピュータ
３９ 表示モニタ
４１ 走査信号発生回路
４２〜４３ Ｄ／Ａ変換器
４４〜４７ 偏向アンプ
４８ 入力アンプ
４９ Ａ／Ｄ変換器
５０ バッファ
５３ 蝶番

Claims (5)

1. 試料に荷電粒子線を走査偏向して照射し、前記試料から放出された二次信号を検出して画像を生成する荷電粒子線装置において、
   前記試料を保持する試料ステージを内部に有する試料室と、
   前記荷電粒子線を発生する荷電粒子線源と、前記荷電粒子線を走査偏向する偏向器と、前記二次信号を検出する検出器と、を含むカラムと、
   前記偏向器に偏向信号を与える偏向制御回路と、
   前記検出器からの信号を取り込む信号取込回路と、
   前記偏向制御回路または前記信号取込回路を含む制御ユニットを移動させる移動機構とを備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
   前記移動機構は、前記試料室の上蓋を開けた状態で前記制御ユニットが前記カラムと干渉しない位置に前記制御ユニットを移動することが可能なことを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
   前記制御ユニットは、前記試料の画像撮像のときには、前記試料室内の保守のときよりカラムの近くに移動可能であることを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 請求項２に記載の荷電粒子線装置において、さらに、
   前記試料室の上蓋を開けた状態のときに前記制御ユニットを収納する収納部を備え、
   前記偏向制御回路と前記偏向器とをつなぐケーブルの長さ、または前記信号取込回路と前記検出器とをつなぐケーブルの長さは、前記収納部と前記カラムとの間隔より短いことを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
   前記制御ユニットと前記カラムは、断熱材によって隔離されていることを特徴とする荷電粒子線装置。