JP4580982B2 - 荷電粒子ビーム装置、コンタミネーションの除去方法及び試料の観察方法 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子ビーム装置、コンタミネーションの除去方法及び試料の観察方法に関し、特に、短期間でコンタミネーションの発生を抑制できる荷電粒子ビーム装置、コンタミネーションの除去方法及び試料の観察方法に関する。

半導体装置の製造工程において、荷電粒子ビーム装置による試料の観察や、パターンの線幅等の測定が行われている。荷電粒子ビーム装置による試料の観察や測定では、観察する部分に電子ビームを照射させながら走査して、二次電子等の電子量を輝度に変換して表示装置に画像として表示している。

このように試料上に電子ビームが照射されることにより、試料にコンタミネーションが付着するという現象が一般に発生している。試料にコンタミネーションが付着すると、試料を正確に観察することができず、また、パターンの線幅が変動して正確な測定ができなくなる。

図１は荷電粒子ビーム装置による試料の観察中に、パターンの幅が増大する様子を示した模式図である。図１（ａ）に示すパターンを観察すると、電子ビームＥＢを観察部分に照射しながら走査していく。図１（ｂ）は、電子ビームの照射によって、パターンの表面にコンタミネーションが付着する様子を示している。このようにコンタミネーションが付着することにより、パターンの幅の正確な測定ができなくなる。さらに、試料の同じ部分を観察すると、図１（ｃ）に示すようにコンタミネーションがさらに付着し、パターンの幅が大きく変化してしまう。

また、半導体装置の微細化に伴って、観察倍率を高くして微細な試料を観察するようになっている。観察倍率を高くすると、単位面積あたりの電子ビームの照射量が増大し、試料へのコンタミネーションの付着が増大して、より一層、試料の正確な観察ができなくなる。

このような問題に対し、荷電粒子ビーム装置内でのコンタミネーションの発生を低減させる方法が種々提案されている。

これに関する技術として、特許文献１には、電子ビーム露光装置においてオゾンによりチャンバー内をクリーニングする方法が開示されている。また、特許文献２には、荷電粒子ビーム露光装置において露光中に少ない酸素使用量でチャンバ内に高濃度のオゾンを導入して汚れを除去する方法が開示されている。
特開平０９−２５９８１１号公報 特開２００１−１４８３４０号公報

上記した、チャンバー内のコンタミネーションの発生を防止する方法では、装置を稼動させながら装置内にオゾンを注入してコンタミネーションの発生を防止している。すなわち、装置内のオゾンと電子ビームとを衝突させてオゾンを酸素と活性酸素とに分離させる。そして、分離した活性酸素によって試料上や装置内の各部品の表面に付着しようとするコンタミネーションと反応させて、一酸化炭素ガスとして蒸発させている。

しかしながら、オゾンを装置内に注入して装置を稼動させた後、コンタミネーションの発生が無くなるまでにどの位の時間がかかるかは不明である。また、試料の同一部分に複数回電子ビームを照射すると電子ビームの照射量が増大するが、その場合に、コンタミネーションが発生するか否かも不明である。

また、通常は、試料室内の試料を載置するステージのステージ移動が予想される。機構や試料を搬送する機構等の潤滑剤として真空グリスが使用されている。また、真空封止のために使用されるＯリング等にも真空グリスが塗布されている。この真空グリスからコンタミネーションの原因となる物質が揮発していることは従来から知られている。上記のように試料室内で真空グリスが多量に使用されると、それに伴いコンタミネーションの発生量も多くなること
これに対し、真空グリスを使用しない装置も開発されているが、そのような装置は非常に高価になってしまう。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑みなされたものであり、真空グリスを使用した場合でも効率良く試料室内のコンタミネーションの発生を抑制することのできる荷電粒子ビーム装置、コンタミネーションの除去方法及び試料の観察方法を提供することを目的とする。

上記した課題は、電子ビームを試料の表面に照射する電子銃と、試料を載置するウエハステージと、ウエハステージを移動するウエハステージ移動手段と、前記ウエハステージが収納されている試料室内に、直接、オゾンガスを注入するオゾンガス注入手段と、前記試料室内に、直接、紫外線を照射する紫外線照射手段と、前記電子銃が収納されているコラムと前記試料室との間の開閉可能な遮蔽手段と、前記オゾンガスの注入及び紫外線の照射と同時に、前記ウエハステージを連続して移動させる制御手段とを有することを特徴とする荷電粒子ビーム装置により解決する。

また、上記した課題は、荷電粒子ビーム装置のコラムとウエハステージが収納されている試料室との間を閉じるステップと、前記試料室内にオゾンガスを注入するステップと、前記試料室内に紫外線を照射するステップと、前記オゾンガスの注入と前記紫外線の照射をしているときに前記ウエハステージを連続して移動させるステップと、前記紫外線の照射を停止するステップと、前記オゾンガスの注入を停止するステップと、前記ウエハステージの移動を停止するステップとを含むことを特徴とするコンタミネーションの除去方法により解決する。

さらに、上記した課題は、試料室内のウエハステージに載置された試料の表面を観察する試料観察方法であって、コラムと前記試料室との間を閉じるステップと、前記試料室内にオゾンガスを注入するステップと、前記試料室内に紫外線を照射するステップと、前記オゾンガスの注入と前記紫外線の照射をしているときに前記ウエハステージを連続して移動させるステップと、前記紫外線の照射を停止するステップと、前記オゾンガスの注入を停止するステップと、前記ウエハステージの移動を停止するステップと、前記コラムと試料室との間を開くステップと、前記試料上に電子ビームを照射して前記試料上の表面の画像を生成するステップとを含むことを特徴とする試料観察方法により解決する。

本発明では、荷電粒子ビーム装置の試料室内に、直接、オゾンガスを注入し紫外線を照射している。オゾンガスの注入により、オゾンから分解する活性酸素とコンタミネーションの原因物質とが反応し、Ｃ等のコンタミネーションを除去することができる。また、紫外線の照射により、オゾンから分解した酸素と反応し、新たにオゾンが発生する。そのため、オゾンから分解する活性酸素の量が急速に低減することがない。これにより、短期間で試料室内の試料上にＣ等のコンタミネーションが付着することを抑制することが可能となる。

また、試料室とコラムとの間に開閉可能な遮蔽板を設け、遮蔽板を閉じて試料室内だけをオゾンガスと紫外線照射により洗浄するようにしている。これにより、効率良く試料室内のコンタミネーションを除去して、コンタミネーションの付着のない試料の観察を行うことが可能となる。さらに、コラムにはオゾンガス及び紫外線が導入されないため、コラム内の部品がオゾンによって酸化される等の損傷を防ぐことができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

はじめに、荷電粒子ビーム装置の構成について説明する。次に、本発明の特徴である短期間でコンタミネーションの発生を抑制させる処理について説明する。次に、コンタミネーションの除去方法及び試料の観察方法について説明する。最後に、本発明に係るコンタミネーションの発生を抑制する処理によって試料へのコンタミネーションの付着が減少した実施例を示す。
（荷電粒子ビーム装置の構成）
図２は、本実施形態に係る荷電粒子ビーム装置の構成図である。

この荷電粒子ビーム装置１００は、電子走査部１０と、信号処理部３０と、画像表示部４０と、電子走査部１０、信号処理部３０及び画像表示部４０の各部を制御する制御部２０とに大別される。このうち、電子走査部１０は、電子鏡筒部（コラム）１５と試料室１６とで構成される。電子鏡筒部１５は、電子銃１とコンデンサレンズ２と偏向コイル３と対物レンズ４とを有し、試料室１６は、ウエハステージ移動部５とウエハステージ６とを有している。試料室１６はウエハステージ６を移動させるためのモーター１１、オゾンを注入するためのオゾン発生器１２、紫外線を照射するための紫外線発生器１３及び試料室１６内を所定の減圧雰囲気に保持するための真空排気ポンプ１８がそれぞれ接続されている。また、電子鏡筒部１５と試料室１６との間には開閉可能な遮蔽板１７が設けられている。

電子銃１から照射された荷電粒子９をコンデンサレンズ２、偏向コイル３、対物レンズ４を通してウエハステージ８上の試料７に照射するようになっている。

荷電粒子９が照射されて試料７から出た二次電子又は反射電子の量は、シンチレータ等で構成される電子検出器８によって検出され、信号処理部３０においてその検出量はＡＤ変換器によってデジタル量に変換され、さらに輝度信号に変換されて画像表示部４０で表示される。

偏向コイル３の電子偏向量と画像表示部４０の画像スキャン量は制御部２０によって制御される。また、制御部２０には、測長を実行するためのプログラムが格納されている。

ウエハステージ移動部５はモーター１１によってウエハステージ６を移動させる。ウエハステージ移動部５にはネジが使用されており、このネジにはウエハステージ６の移動を潤滑にするために真空グリスが塗布されている。オゾン発生器１２は試料室１６内に注入するオゾンを発生させるものであり、紫外線発生器１３は試料室１６内に紫外線を照射するためのものである。また、遮蔽板１７は、電子鏡筒部１５にオゾンガスが行かないように試料室１６との間を遮蔽するためのものである。

以上のように構成した荷電粒子ビーム装置において、ウエハステージ６上に載置されたウエハの観察に先立って、コンタミネーションが発生しない真空状態を生成する。ここでは、コンタミネーションの原因物質を含んでいる真空グリスがウエハステージ移動部５のネジの部分に使用されているとする。まず、試料室１６と電子鏡筒部１５との間を遮蔽する。次に、真空グリスを一様に分布させるために、ウエハステージ６を所定の時間連続して移動させる。ウエハステージ６を移動させながら、オゾン発生器１２で発生させたオゾンを試料室１６内に注入する。これと同時に紫外線発生器１３で発生させた紫外線を試料室１６内に照射する。これらの処理は制御部２０によって一括管理する。これらの作業は、例えば、１ヶ月間連続して行う。

上記の処理を行った後に、試料の観察を行う。なお、本実施形態ではウエハステージ６を移動させながらオゾンの注入等を行っているが、ウエハステージ６を連続移動させて真空グリスを一様に分布させた後で、オゾンの注入等を行ってもよい。
（コンタミネーションの発生を抑制する処理の説明）
上記の処理を行うことにより、試料上にコンタミネーションが付着することが抑制される。これは、以下に示す理由によるものと考えられる。

真空グリスから発生しているコンタミネーションの原因となる物質は、ＣやＨで構成される有機系物質であると考えられている。図３（ａ）は、このような有機系物質が試料上に存在していることを模式的に示した図である。このコンタミネーションの原因物質に活性酸素を反応させることによって、有機系物質のＣやＨが活性酸素と結合して蒸発する。これにより、図３（ｂ）に示すように、コンタミネーション物質と考えられているＣが試料の表面から無くなる。そして、試料上に電子ビームを照射しても試料にＣが付着することが抑制されることになる。

このようにして、コンタミネーションの原因物質から活性酸素を利用してコンタミネーションと考えられているＣを除去することができればコンタミネーションの発生が抑制されると考えられる。

活性酸素を発生させるために、オゾンガスを試料室１６内に注入する。オゾンは不安定な物質であるため、経時的に酸素と活性酸素とに分解される。これにより、活性酸素が発生して、コンタミネーションの原因物質からＣを除去することが可能となる。

更に、紫外線を試料室１６内に照射することにより、オゾンが分解して発生した酸素と紫外線とが反応して新たにオゾンを生成することができる。このオゾンが経時変化によって酸素と活性酸素に分解し、活性酸素がコンタミネーションの原因物質からＣを排除するとともに、酸素と紫外線とが反応してオゾンが生成されることが繰り返される。この一連の反応によって、コンタミネーションの原因物質からＣを排除する速度が速くなり、従来の方法よりも短期間で試料室１６内をコンタミネーションの少ない状態にすることが可能となると考えられる。

上記の処理を行った後に、試料の観察を行うと、試料へのコンタミネーションの付着が従来より大幅に減少した。また、このようなコンタミネーションの少ない状態が長期間継続している。従って、一度試料の観察の前にコンタミネーションの少ない初期状態を作れば、その後もコンタミネーションの発生を防止することができる。このような初期状態を例えば装置のオーバーホールにあわせて行えば、装置の稼働率の低下を起こすこともなく、コンタミネーションの少ない状態で試料の観察を行うことが可能となる。

これにより、従来では不可能と考えられていた真空グリスを使用した荷電粒子ビーム装置であっても、コンタミネーションが少なく、微小なパターンの測定も正確に行うことが可能となる。また、試料の特定の場所を複数回観察する場合であってもパターンにコンタミネーションが付着することを防止することができ、正確な測定を行うことが可能となる。
（コンタミネーションの除去方法及び試料の観察方法）
次に、本実施形態の荷電粒子ビーム装置を用いて試料の観察をする方法について図４のフローチャートを用いて説明する。

ここでは、真空グリスがウエハステージ移動部５のネジの部分に塗布されているものとする。また、ステップＳ１１に先立って、試料室１６と電子鏡筒部１５との間は遮蔽板１７で遮蔽されるものとする。

まず、ステップＳ１１において、真空グリスの表面を広げる操作をする。真空グリスの表面を一様に広げることにより、コンタミネーションの原因物質のすべてを早期に揮発させることができる。本実施形態では、ウエハステージ６を連続して移動させることにより真空グリスを広げている。なお、真空グリスの表面を広げる方法はこれに限定されるものではない。

次に、ステップＳ１２において、試料室１６内にオゾンガスを注入する。オゾンガスを注入することによって、オゾンが分解してできる活性酸素とコンタミネーションの原因物質とが反応し、一酸化炭素ガスとなって蒸発する。

次に、ステップＳ１３において、試料室１６内に紫外線を照射する。紫外線の照射により、オゾンが分解してできる酸素と反応し、さらにオゾンが生成される。

以上のステップＳ１１からステップＳ１３までを所定の期間継続する。

試料室１６内のコンタミネーションの発生が抑制された後、ステップＳ１４で試料室１６内への紫外線の照射を停止し、ステップＳ１５で試料室１６内へのオゾンガスの注入を停止する。

その後、遮蔽板１７を開き、試料ステージに試料を載置して試料の観察を行う。

本実施形態の試料の観察方法では、試料室１６内にオゾンガスを注入し、紫外線を照射しているので、短期間で試料室内のコンタミネーションの発生が抑制され、試料にコンタミネーションが付着することなく、試料の正確な観察又は測定を行うことが可能となる。

特に、試料室１６と電子鏡筒部１５との間に開閉可能な遮蔽板１７を設け、遮蔽板１７を閉じて試料室１６内だけをオゾンガスと紫外線照射により洗浄するようにしているので、効率良く試料室１６内のコンタミネーションを除去して、コンタミネーションの付着のない試料の観察を行うことが可能となる。

また、電子鏡筒部１５が遮蔽板１７により試料室１６と隔離されていない場合には、オゾンガスが電子鏡筒部１５にも導入されてしまう。その際、コンタミネーションの発生量の多い試料室１６内を洗浄するために必要な量のオゾンが導入されるため、電子鏡筒部１５内の部品を損傷するおそれがある。これに対し、本実施形態においては遮蔽板１７を閉じているため電子鏡筒部１５にはオゾンガス及び紫外線が導入されず、電子鏡筒部１５内の部品がオゾンによって酸化される等の損傷を防ぐことができる。

なお、ステップＳ１２のオゾンガスの注入及びステップＳ１３の紫外線の照射は同時に行ってもよい。また、ステップＳ１１の真空グリスの表面を広げる処理もオゾンガスの注入及び紫外線の照射と同時に行ってもよい。
（実施例）
以下、本実施形態の荷電粒子ビーム装置を用いて、試料に付着するコンタミネーションが減少した結果について説明する。ここで、形成したパターンは、ライン＆スペースでパターンの幅は２５０ｎｍとし、ラインとスペースの幅の比率を１：１とした。

まず、本実施形態の荷電粒子ビーム装置を使用して試料の観察をした。ウエハステージ移動部５のネジの部分に真空グリスを１０ｇ塗布し、本実施形態の試料の観察方法により荷電粒子ビーム装置によって観察した。すなわち、真空グリスを塗布した後、荷電粒子ビーム装置の試料室１６内にオゾンを注入し紫外線を照射した。それと同時にウエハステージ６を連続して移動させ、真空グリスが一様に広がるようにした。この操作を約４００時間続けた。

その後、以下に示す手順で試料の観察をした。荷電粒子ビーム装置の観察倍率を上げて、１μｍ×１μｍの範囲に電子ビームが照射されるようにした後、２μｍ×２μｍの観察倍率で試料を観察した。図５（ａ）は試料へのコンタミネーションの付着が少ない様子を示した説明図であり、図６（ａ）は観察結果のＳＥＭ(Scanning Electron Microscope)像である。電子ビームは、図５（ａ）の破線５１の内部に照射したが、コンタミネーションはほとんど付着していなかった。図６（ａ）のＳＥＭ像からも分かるように、試料上にコンタミネーションはほとんど発生していないことが確認された。

次に、ウエハステージ移動部５のネジの部分に真空グリスを１ｇ塗布し、荷電粒子ビーム装置の試料室１６内にオゾンの注入及び紫外線の照射をしないで試料の観察をした。試料の観察は、荷電粒子ビーム装置の観察倍率を上げて、１μｍ×１μｍの範囲に電子ビームが照射されるようにした後、２μｍ×２μｍの観察倍率で試料を観察した。図５（ｂ）は、試料にコンタミネーションが付着した様子を示す説明図であり、図６（ｂ）はその観察結果のＳＥＭ像である。電子ビームを、図５（ｂ）の破線５２の内部に照射した結果、破線５２内にＣの付着によるコンタミネーションが発生した。また、コンタミネーションの付着により、線幅５３が図５（ａ）と比べて広くなっている。図６（ｂ）のＳＥＭ像からも分かるように試料にコンタミネーションが付着していることが確認された。

この後、再び試料室１６内にオゾンを注入し紫外線を照射する等の本実施形態の処理を行うことにより、試料上にコンタミネーションが発生しないことを確認している。

以上説明したように、本実施形態の荷電粒子ビーム装置のコンタミネーションの除去方法及び試料の観察方法では、荷電粒子ビーム装置の試料室１６内に、直接、オゾンガスを注入し紫外線を照射している。それと同時に試料室１６内に存在する真空グリスを攪拌する操作をしている。これらの操作を所定の時間、例えば、使用している真空グリスの量に応じた期間だけ行うことにより、試料上に例えばＣ等のコンタミネーションの付着を抑制することが可能となる。

また、試料室１６と電子鏡筒部１５との間に開閉可能な遮蔽板１７を設け、遮蔽板１７を閉じて試料室１６内だけをオゾンガスと紫外線照射により洗浄するようにしている。これにより、効率良く試料室１６内のコンタミネーションを除去して、コンタミネーションの付着のない試料の観察を行うことが可能となる。さらに、電子鏡筒部１５にはオゾンガス及び紫外線が導入されないため、電子鏡筒部１５内の部品がオゾンによって酸化される等の損傷を防ぐことができる。

さらに、本実施形態のコンタミネーションの除去方法を使用すると、従来の方法よりも１００倍程度速くコンタミネーションを発生しない状態にできることが確認された。また、従来は線幅の測定をするとコンタミネーションが１ｎｍ程度試料に付着していた。これに対し、本実施形態の荷電粒子ビーム装置を使用して測定すると、コンタミネーションが０．０３ｎｍ程度しか付着しないことも確認された。

電子ビームの照射によりパターンの幅が増大する様子を示す図である。 本発明の実施形態で使用される荷電粒子ビーム装置の構成図である。 本発明のコンタミネーションが抑制される原理を説明する図である。 本発明の試料の観察方法を示すフローチャートである。 図５（ａ）は、試料上にコンタミネーションが付着しない様子を示す図である。図５（ｂ）は、試料上にコンタミネーションが付着する様子を示す図である。 図６（ａ）は、図５（ａ）に対応するＳＥＭ像である。図６（ｂ）は、図５（ｂ）に対応するＳＥＭ像である。

Claims (6)

1. 電子ビームを試料の表面に照射する電子銃と、
   試料を載置するウエハステージと、
   ウエハステージを移動するウエハステージ移動手段と、
   前記ウエハステージが収納されている試料室内に、直接、オゾンガスを注入するオゾンガス注入手段と、
   前記試料室内に、直接、紫外線を照射する紫外線照射手段と、
   前記電子銃が収納されているコラムと前記試料室との間の開閉可能な遮蔽手段と、
   前記オゾンガスの注入及び紫外線の照射と同時に、前記ウエハステージを連続して移動させる制御手段と
   を有することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
2. 前記制御手段は、前記オゾンガスの注入及び紫外線の照射を前記オゾンガス注入手段及び紫外線照射手段に所定の時間継続して同時に行わせることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビーム装置。
3. 荷電粒子ビーム装置のコラムとウエハステージが収納されている試料室との間を閉じるステップと、
   前記試料室内にオゾンガスを注入するステップと、
   前記試料室内に紫外線を照射するステップと、
   前記オゾンガスの注入と前記紫外線の照射をしているときに前記ウエハステージを連続して移動させるステップと、
   前記紫外線の照射を停止するステップと、
   前記オゾンガスの注入を停止するステップと、
   前記ウエハステージの移動を停止するステップと
   を含むことを特徴とするコンタミネーションの除去方法。
4. 前記オゾンガスの注入と紫外線の照射は同時に所定の時間行うことを特徴とする請求項３に記載のコンタミネーションの除去方法。
5. 試料室内のウエハステージに載置された試料の表面を観察する試料観察方法であって、
   コラムと前記試料室との間を閉じるステップと、
   前記試料室内にオゾンガスを注入するステップと、
   前記試料室内に紫外線を照射するステップと、
   前記オゾンガスの注入と前記紫外線の照射をしているときに前記ウエハステージを連続して移動させるステップと、
   前記紫外線の照射を停止するステップと、
   前記オゾンガスの注入を停止するステップと、
   前記ウエハステージの移動を停止するステップと、
   前記コラムと試料室との間を開くステップと、
   前記試料上に電子ビームを照射して前記試料上の表面の画像を生成するステップと
   を含むことを特徴とする試料観察方法。
6. 前記オゾンガスの注入と紫外線の照射は同時に所定の時間行うことを特徴とする請求項５に記載の試料観察方法。

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