JP5473453B2

JP5473453B2 - 荷電粒子線装置

Info

Publication number: JP5473453B2
Application number: JP2009174542A
Authority: JP
Inventors: 律雄深谷; 和弘植田
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2009-07-27
Filing date: 2009-07-27
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2029-07-27
Also published as: US20120126119A1; WO2011013650A1; JP2011029031A

Description

本発明は、試料面に回転軸対称に配置された微細なパターン形状を観察又は測定する荷電粒子線装置に関する。本発明は、例えば磁気記録用ハードディスクの製造工程において、記録面となるディスク（プラッター）上に形成された微細なパターンや同パターンを形成するための転写母型となるナノインプリントマスクのパターンを観察又は測定する走査型電子顕微鏡に適用される。なお、「荷電粒子」には、電子以外にイオンも含まれるものとする。

ＬＳＩ等の微細加工技術によって製作される半導体素子の製造工程では、各工程で形成された微細形状が所望の寸法範囲を満たしているか否かを検査するために、「測長ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）」と呼ばれる専用の走査電子顕微鏡を使用する。測長ＳＥＭは、短焦点の対物レンズを備えた低加速ＳＥＭに、半導体素子を形成するシリコンウェーハを搬送し、ウェーハ上の所望の位置を電子顕微鏡の光軸に正確に合わせるための試料移動機構を組み合わせたものであり、得られた観察画像を専用のソフトウェアで処理し、画像上の所望部分の寸法を算出するものである。

現在、半導体素子の製造に用いられている技術はフォトリソグラフィーと呼ばれ、石英などの板に描かれているパターンを短波長の紫外線又はＸ線でシリコンウェーハ上に塗布された観光性材料上に投影露光し、投射光のエネルギーによる化学反応を利用してパターンを転写する。通常、一枚のウェーハ上に数十から数百個の同一素子を形成するので、矩形の素子を格子状に配列し、繰り返し露光することが行われている。従って、ウェーハ上の位置を管理するための座標系は、通常、ＸＹ二軸直交座標系（カルテジアン座標系）が用いられ、前記試料移動機構も、単軸直進移動機構を二軸組み合わせたものが用いられる。上述のように、一枚のウェーハ上には多数の素子が形成されるため、各素子の寸法測定は、予め定められた手順に従って自動的に実行される。以下は自動測定の手順の一例である。

１）ウェーハを回転させながら外周にあるノッチを検出して、ウェーハの方向を揃える。
２）ウェーハを真空槽内に移送して真空槽を排気する。
３）ウェーハの所定の位置に形成されている「アライメントマーク」を検出し、ウェーハ上での座標系を設定する。
４）予め設定してある測定点の座標に電子光学系の光軸（すなわち観察領域）がくるように、試料移動機構によってウェーハを移動する。
５）測定点近傍のＳＥＭ画像を取得し、予め装置に記憶させてあった「テンプレート」と照合する。テンプレートには通常、照合し易くかつ周囲に類似のものがない形状のパターンを選ぶ。かつ、テンプレートには、照合対象パターンと、測定したいパターンの相対距離に関する情報が記憶されていて、ＳＥＭ画像内の照合対象パターンを同定することにより、測定対象パターンの位置を正確に求めることができる。これは、試料移動機構が持つ機械的な不正確さに起因する座標誤差を補正するためである。本文書では、これ以降この動作を「アドレッシング」と呼ぶ。

６）測定点に光軸を移動する。このときは光軸そのものを電子光学系のもつ機能を使って変位させる。電子光学系による光軸の移動は、機械式の移動に比べ、はるかに高精度な位置決めが可能である。
７）測定点のＳＥＭ画像を取得し、所望の寸法を測定する。画像内の測定所望部位は、別の「テンプレート」画像を照合することによって検出する。
８）上記（４）−（７）を繰り返す。

９）所望の測定点をすべて測定したら、ウェーハを真空槽の外に移送する。
これら一連の動作は、測定点の位置、テンプレート画像等を含め「レシピ」と称する電子データ上に設定されている。

以上のような自動測長においては、アドレッシングと測長の２段階でテンプレートが必要となる。従来の半導体ウェーハでは、素子がウェーハ上に格子状に同一の向きで配列され、各素子は同一の配線パターンを持っている。このため、各素子はお互いに並進対称の関係にあり、格子配列内のいずれの位置の素子においても同一のテンプレートを用いることが可能であった。すなわち、配列内のいずれかの素子において、素子内の所望の箇所の形状を記憶させ、テンプレートとして用いることで、格子配列内の他の位置の素子の測定においても、同一のテンプレートを特に操作する事無く使用することができた。このことは、測定の自動化において、測定手順を規定する「レシピ」の作成を容易ならしめる重要な点である。

近年、データ蓄積用の磁気ハードディスクでは、記録密度を高めるため、従来平滑であったディスク（プラッターという）表面に微細なドット上の凸部を設け、これを記録ビットに対応させることにより、隣接ビットからの干渉を防ぎ、ビット間隔を狭小化する技術が導入されている。ドットをプラッター上に円周上に配列することが必要になるため、予めプラッター表面に円周状の溝ないし凹穴列を形成し、その内部にドットを形成する手法が用いられる。溝の形成は、いわゆる「ナノインプリント」プロセスを用いて行われる。このプロセスは、微細パターンを、光投影によらず、直接モールドを形成材に押し付けることによって作成するものである（非特許文献１及び２を参照。）

２００７ナノインプリント技術大全〔２００７〕株式会社電子ジャーナルＰ１５０−１５４同上ｐｐ．１５９−１６２

前述した磁気ハードディスク用のナノインプリントプロセスにおいても、ドット配列を規定する溝ないし凹穴列の寸法は、ハードディスク装置の性能に影響する。このため、ナノインプリントの母型となるモールドの寸法検査が必要となる。モールドは一般に円形の石英ウェーハ上にパターンを形成したものである。モールド用石英ウェーハには、シリコンウェーハと同じく、基板の向きを一意的に決めるための小さな切り欠き（ノッチ）が外周に一箇所設けられているのが普通である。表面に形成されるパターンの寸法は数十ナノメートル程度であり、ＳＥＭによる寸法検査が有用である。

しかし、上記のモールドを従来の測長ＳＥＭで検査する際には、次のような問題が発生する。すなわち、モールドウェーハ上のパターンは、格子状配置ではなく回転軸対称の配置となる点である。図３に、モールド内に形成されるパターン配置の例を示す。パターンはウェーハ内の円周上に配置され、円周上の位置によってパターンの角度は変化する。従って、格子状配置の素子を自動測定する場合のように、同一のパターンに対して一つのテンプレートを用意してもモールドを自動測定することはできない。結果として、同一円周上に位置する複数の同種パターンを測定する場合には、測定対象が互いに合同な形状を有するパターンだとしても、測定場所によって異なる角度のテンプレートを用意する必要がある。これは、自動測定のレシピを作成する際の作業量を著しく増大させることになる。

本発明は、試料上に回転軸対称に配置されたパターン形状を予め定めた手順に従って自動的に観察又は計測する際、試料上の座標から算出した角度だけ、テンプレート画像を自動的に回転させる、又は、観察点若しくは計測点の画像を回転させる、又は、荷電粒子線の走査範囲である視野領域を自動的に回転させて画像を取得する技術を提供する。

本発明により、荷電粒子線装置にレシピとして事前に登録するテンプレートの枚数を削減することができる。このため、レシピの作成に要する作業量を低減することができる。

本発明の実施の形態である走査電子顕微鏡の構成を説明する図である。走査電子顕微鏡が試料表面を電子線で走査する際の制御出力波形を説明する図である。本発明による試料の測定方法を説明する図である。

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。なお、後述する装置構成や処理動作の内容は一例であり、実施の形態と既知の技術との組み合わせや置換により他の実施の形態を実現することも可能である。
（Ａ）基本原理
以下に説明する実施例では、モールド上の測定点の位置座標を用いた演算によりテンプレートの適切な角度を算出し、自動測定レシピの作成作業を容易にすることを主要な特徴とする。

通常、モールド表面の同一円周上に形成されるパターンは、記録ビットを規制するものであり規則的に配列されている。従って、パターンは円周上のいずれの位置にあったとしても、適宜回転すれば同一のパターンとみなすことができる。従って、例えば以下のような演算により得られる角度θを使用すれば、回転角θとカルテジアン座標系の座標値とを相互に変換することができる。

ｘ, ｙ : ウェーハ中心を原点としたカルテジアン座標系による、測定点の座標
ノッチをｙ正方向とする
θ：ノッチを通る半径上のパターンに対するパターンの回転角

式（ｉ）は座標系の取り方により形が変わるが、いずれの場合も、座標（ｘ，ｙ）から一意的に回転角θ（０≦θ＜３６０度）を得ることができる。この明細書では、基準位置から時計周りの回転角θとする。もっとも、基準位置から時計回りの回転角θ（０≦θ＜１８０度）反時計周りの回転角θ（−１８０度≦θ＜０）で表現することもできる。

自動測定レシピを作成する際に、例えばθ＝０に相当する測定点のテンプレート（Ａ）を保存しておく。同一円周上の測定点に対するテンプレート（Ｂ）は、（Ａ）を式（ｉ）で算出される回転角θだけ回転することによって容易に得ることができる。そこで、本発明では、この回転角θを測定点のテンプレートに適用することにより、同一円周上に位置する同種パターンを複数回測定する際における自動測定レシピの作成作業を飛躍的に簡素化することができる。

なお、同様の効果は、テンプレートを回転しなくても実現できる。すなわち、テンプレートを固定した状態で荷電粒子線の走査領域（すなわち、取得される画像）を回転角θだけ回転させることで同じ位置関係を実現することができる。取得画像を回転させるには、ＳＥＭが試料表面を電子線で走査する方向を回転させる必要があるが、この走査方向の回転は広く用いられている技術である。

なお、ウェーハ面上の座標系を、動径及び角度で指定する極座標系とすることも可能であるが、ウェーハ上の測定点をＳＥＭの電子光学系光軸下に移動させるための精密位置決め装置は一般に二軸直交型である。このため、位置決めに伴う装置内部での座標変換処理が煩雑になるという欠点があり、本発明の方が優位である。

（Ｂ）実施例１
図１に、本発明の実施例に係る走査電子顕微鏡の構成模式図を示す。
電子源１０２は、内部を高真空に保たれた電子光学系の鏡筒１０１の上部に配置される。電子源１０２には、電子源電源１０３より数キロボルトの高電圧が印加される。この高電圧の印加により、一次電子線１１６が供給される。一次電子線１１６は、各々電源１０５ａ及び１０５ｂで制御される２つのコンデンサーレンズ１０４ａ及び１０４ｂによって適宜収束される。

次いで、一次電子線１１６は、電子線の飛行方向を変更する偏向器群１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ及び１１１ｄを通過し、電源１１５により制御される対物レンズ１１４によって最終的に試料１１７の表面に収束される。一次電子線１１６の収束点からは二次電子が発生する。二次電子は鏡筒内を上方に移動して検出器１０８に入り、電気信号に変換された後、増幅器１０９を介して主制御装置１１０上で試料表面の形状を反映した画像を形成する。本図では煩雑を避けるため二次電子は省略されている。

試料１１７は、同じく高真空内に設置されたＹテーブル１１８及びＸテーブル１１９からなるＸＹステージ上に載置されている。Ｘテーブル１１９は、基台１２０上をＸ方向（図の水平方向）に移動する機構を有する。Ｙテーブル１１８は、Ｘテーブル１１９上をＹ方向（図の奥行き方向）に移動する機構を有する。Ｘテーブル１１９とＹテーブル１１８の位置は、位置検出器１２１ａ及び１２１ｂによりそれぞれ測定される。測定結果は、変換器１２２により位置情報を表す電気信号１２３に変換される。

位置検出器には、テーブルにレーザー光を照射して反射光の位相ずれを検知する光干渉型ペリメータを使用するのが一般的である。前記２つのテーブルと位置検出器により、試料１１７の鏡筒１０１に対する位置は、マイクロメートル程度の精度で検出し又は制御することができる。前述した偏向器群には、信号混合器１１３を介して偏向電源１１２ａ、１１２ｂが接続される。

走査電子顕微鏡において、これら偏向器群の第一の目的は、電子線によって試料表面の平面領域１２１内を走査することにある。本実施例では、直交する２方向に電子線を偏向する４極静電偏向器を記載している。偏向器には他に８極静電偏向、２方向電磁偏向などの形式があるが、これらのいずれを採用しても発明の本質には影響しない。直交する２対の偏向器には、それぞれ図２（Ａ）に示すような電圧が印加される。

例えば偏向電源１１２ｂには、短周期の鋸歯状電圧が印加される。鋸歯状電圧の傾斜部分において、一次電子線は、図２（Ｂ）に示す視野領域２０２の横方向に変位される。例えば偏向電源１１２ａには、偏向電源１１２ｂの印加電圧に対して整数倍の周期（通常１０００倍程度）を有する長周期の鋸歯状電圧が印加される。鋸歯状電圧の傾斜部分において、一次電子線は、図２（Ｂ）に示す視野領域２０２の縦方向に変位される。

これらの鋸歯状電圧により、一次電子線は試料１１７上の領域１２１（２０２）内を逐次走査する。これは荷電粒子線で平面を走査する際の一般的手法である。なお、鋸歯状電圧により変位される一次電子線のうち不要な軌跡１２７（図２（Ｂ）に破線で示す軌跡２０３）は、鏡筒上方に設けた遮断器１０６に電源１０７から図２（Ａ）に示すパルス状の電圧を印加することにより遮断される。結果的に、所望領域内の有効軌跡１２６（図２（Ｂ）に実線で示す軌跡２０１）のみを走査に利用する。

偏向電源１１２ａ、１１２ｂと偏向器群１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄとの間には信号混合器１１３がある。信号混合器１１３は、偏向電源１１２ａ、１１２ｂから与えられる鋸歯状電圧を設定比率で混合し、各偏向器に出力することができる。このとき、一次電子線１１６の偏向領域又は走査領域（特許請求の範囲における視野領域に対応する。）は、設定比率に応じた混合比により試料表面上で回転する。すなわち、混合比の変更により、主制御装置１１０上に表示される取得画像を自由に回転させることができる。勿論、視野領域が回転するだけであり、外形形状自体は変化しない。

次に、図３を用いて実施例の動作を説明する。図３は、実施例の適用対象である磁気記録用ハードディスクプラッターに微細加工を行うためのナノインプリントモールドの模式図である。石英製の円形状のウェーハ３０１には、角度原点を示すノッチ３０２がある。ウェーハ中心３０３からノッチにかけて引かれた半径を基準線とする。

ウェーハ３０１には、基準線に対して一定の位置に、数個（図３では４個）のアライメントマーク３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ及び３０４ｄがある。アライメントマークは、装置が持つ二軸直交テーブル１１８及び１１９の座標系とウェーハ上に設定されている素子設計座標系を校正するためのものである。

ウェーハ３０１を測長ＳＥＭに搬入すると、最初にアライメントマークを最低２箇所検出する。アライメントマークの設計座標は既知である。従って、ウェーハ３０１の固定機構の機械的誤差、Ｙテーブル１１８及びＸテーブル１１９の機械誤差を校正することができる。その後、所望の測定点に移動し、一次電子線１１６の走査によって得られる画像を、自動測定用レシピに予め設定されているテンプレートと比較する。測長ＳＥＭは、テンプレートに一致する測定点を検出して測定する。

ここで、ある円周３０５上に、ノッチ基準線上にある測定点３０６及び基準点から角θ₁（３０８）だけ離れた点３０７を測定する場合を考える。円周上のパターンは、回転軸対称性をもって規則的に配列している。

測定点３０６における測長パターンが像３０９に示すものであった場合、測定点３０７における測長パターンは像３１０に示すようになる。像３０９と像３１０の比較により容易に分かるように、像３１０中の配列パターンは、像３０９中の配列パターンを角θ₁（３０８ｂ）だけ回転させた関係にある。

従来の技術では、この場合、測定点３０６と測定点３０７では異なるテンプレートが必要であった。すなわち、測定点３０６と測定点３０７の双方において独立にテンプレート画像を取得する必要があった。

一方、本実施例では、まず、測定点３０６においてテンプレートとなる像３０９を取得する。次に、測定点３０７においては、取得されたテンプレートの像３０９を角θ₁だけ回転させ、像３１０と等価なテンプレートを得る。走査電子顕微鏡置は、座標３１１及び３１２の値を持っているので、角θ₁は、測定点３０７のウェーハ上のｘ座標３１１及びｙ座標３１２を、前述した式（ｉ）に代入することにより算出することができる。

なお、テンプレートとして使用する画像は、レシピ作成時に、回転させた状態で測定点毎にレシピに記録しても良く、又はレシピ実行時に、測定点毎にその都度回転させた状態で生成しても良い。いずれの場合でも、図１において、位置検出器１２１ａ及び１２１ｂによって検出されたテーブル座標から得られる電気信号１２３を位置−回転角演算装置１２４によって回転角に変換し、この結果１２６を主制御装置１１０に送ることで実現できる。

なお、前述の説明ではテンプレートの像を取得する像の位置に応じて回転させているが、この反対に、テンプレートの像は固定し、取得した画像をテンプレートの位置からの回転角だけ画像処理により回転させても良い。

（Ｃ）実施例２
続いて、２つ目の実施例に係る走査電子顕微鏡の構成模式図を示す。なお、基本的な装置構成は、図１に示す走査電子顕微鏡の構成と同じである。以下では、実施例１との相違点についてのみ説明する。

実施例１の場合には、各測定点に応じて最適な回転角θだけテンプレートの像を回転させる場合について説明した。これに対し、実施例２の場合には、テンプレートの像は固定（すなわち、テンプレートの像は無回転）とし、測定時に取得する画像の取得範囲（視野領域）の方を回転する。

ここでも、測定点３０６をテンプレートの像３０９を取得する位置とする。この実施例では、測定点３０７の像を取得する際に、視野領域を回転角：−θ₁（３０８）だけ回転させる。

測定点３０７から取得される画像は像３１０のように、視野領域内の配列パターンは斜めに傾いている。この配列パターンを回転角：−θ₁だけ回転することにより、テンプレートに対応する像３０９に相当する像を容易に得ることができる。

回転した像を取得するには、電気信号１２３に基づき位置−回転角演算装置１２４で回転角：−θ₁を算出し、制御信号１２５に基づいて信号混合器１１３を制御することで容易に可能である。また、電気信号１２３の代わりに、レシピ内に記録された座標値データ１２７を位置−回転角演算装置１２４に送り回転角を制御することもできる。

（Ｄ）実施例の効果
以上説明したように、実施例の手法を用いれば、ウェーハ上に回転軸対称に配置された繰り返しパターン形状の微細寸法を測定する際、自動測定用レシピが使用する画像テンプレート枚数を削減することができる。特に、磁気記録ハードディスクのように同一円周上に同一のパターンが規則的に配列されているウェーハを測定する場合には極めて有効である。

（Ｅ）他の実施例
以上、本発明の実施の一例を記述したが、図３に示すモールドウェーハにおいては、パターンが回転軸対称になるように配置されていることが本質的に重要であり、必ずしも同一円周上にある２点においてのみ効果があるものではない。従って、本発明の効果が及ぶ対象が図３に示す模式図とは異なるものも含むことは言うまでもない。

また、測定するパターンが回転軸対称に配置されていれば、上記において記述されている磁気記録ハードディスク用ナノインプリントモールドだけではなく、光学記録ディスク、光学素子、その他にも応用可能である。

荷電粒子を用いた走査顕微鏡を用い、被観察試料面に回転軸対称性をもって配置された微細パターンをもつ試料、特に磁気記録用ハードディスクなどを観察・検査する工程において、自動測定手順を規定するレシピの作成に費やす作業時間を低減し、安価で高効率の機器製造に寄与することができる。

１０１：鏡筒
１０２：電子源
１０３：電子源電源
１０４ａ、１０４ｂ：コンデンサーレンズ
１０５ａ、１０５ｂ：電源
１０６：遮断器
１０７：電源
１０８：検出器
１０９：増幅器
１１０：主制御装置
１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄ：偏向器群
１１２ａ、１１２ｂ：偏向電源
１１３：信号混合器
１１４：対物レンズ
１１５：電源
１１６：一次電子線
１１７：試料
１１８：Ｙテーブル
１１９：Ｘテーブル
１２０：基台
１２１ａ、１２１ｂ：位置検出器
１２２：変換器
１２３：位置情報電気信号
１２４：位置−回転角演算装置
１２５：制御信号
１２６：回転角データ
１２７：座標値データ

Claims

収束した荷電粒子線で試料表面を走査し、発生する二次電子又は反射電子を捕捉検出して輝度信号に変換し画像を構成する荷電粒子線装置であって、
試料上に回転軸対称に配置されたパターンを、予め定めた手順に従って自動的に観察又は計測する際、位置検出用のテンプレート画像の試料上における座標位置と、観察点又は計測点の試料上における座標位置との関係に基づいて、前記テンプレート画像又は観察点若しくは計測点の画像を自動的に、前記観察点又は計測点の試料上における座標位置に応じた最適な角度に回転させる
ことを特徴とする荷電粒子線装置。
前記試料が搭載されるステージは、ＸＹ駆動系により駆動される
ことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子線装置。
収束した荷電粒子線で試料表面を走査し、発生する二次電子又は反射電子を捕捉検出して輝度信号に変換し画像を構成する荷電粒子線装置であって、
試料上に回転軸対称に配置されたパターンを、予め定めた手順に従って自動的に観察又は計測する際、観察点又は計測点の前記試料上における座標に基づいて、前記荷電粒子線の走査範囲である視野領域を自動的に最適な角度だけ回転させて画像を取得する
ことを特徴とする荷電粒子線装置。
前記試料が搭載されるステージは、ＸＹ駆動系により駆動される
ことを特徴とする請求項３に記載の荷電粒子線装置。