JP5546290B2 - Charged particle beam apparatus and length measuring method using charged particle beam - Google Patents
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Description
本発明は、薄片化された微細なデバイス試料を高い精度で測長するのに有用な技術に関する。例えばデバイス試料の傾斜ズレを自動的に補正する技術に関する。 The present invention relates to a technique useful for measuring a thin device sample that has been cut into thin pieces with high accuracy. For example, the present invention relates to a technique for automatically correcting a tilt deviation of a device sample.
デバイス試料の長さの計測には、一般的にSEM（Scanning Electron Microscope：走査型電子顕微鏡）やCD-SEM（Critical Dimention-SEM：測長走査型電子顕微鏡）が使用され、これらを用いてデバイス試料の表面又は断面（SEMのみ）を測長する。 In general, SEM (Scanning Electron Microscope) and CD-SEM (Critical Dimention-SEM) are used to measure the length of device specimens. Measure the surface or cross section (SEM only) of the sample.
本願発明者がデバイス試料の測長手法について鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。従来の測長手法は、デバイス試料の傾斜角の調整を専ら目視に頼っており、正確な傾斜補正については配慮がされていない。このため、近年のように微細化されたデバイス試料の測長では、傾斜ズレによる測長誤差が無視できない問題になってくる。また、TEM（Transmission Electron Microscope：透過電子顕微鏡）やSTEM（Scanning Transmission Electron Microscope：走査透過電子顕微鏡）を使用しての測長の場合にも、多結晶のみで構成される薄膜試料を測長する場合には、傾斜ズレによる測長誤差が無視できない問題になってくる。 As a result of intensive studies on the length measurement method for device samples, the inventors of the present application have obtained the following knowledge. The conventional length measurement method relies exclusively on visual adjustment of the tilt angle of the device sample, and does not give consideration to accurate tilt correction. For this reason, in the length measurement of a miniaturized device sample as in recent years, a length measurement error due to an inclination shift cannot be ignored. Also, when measuring using a TEM (Transmission Electron Microscope) or STEM (Scanning Transmission Electron Microscope), a thin film sample consisting of only a polycrystal is measured. In such a case, the measurement error due to the inclination deviation cannot be ignored.
本発明の目的は、デバイス試料の傾斜ズレによる測長誤差の問題を最小限に抑えることができる技術を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a technique capable of minimizing the problem of length measurement error due to tilt deviation of a device sample.
本発明は、測長前に、試料の単結晶部分から回折パターンを取得し、取得された回折パターンに基づいて荷電粒子線に対する試料の傾斜角を補正する。 The present invention acquires a diffraction pattern from a single crystal portion of a sample before length measurement, and corrects the tilt angle of the sample with respect to the charged particle beam based on the acquired diffraction pattern.
本発明により、試料の傾斜角を正確に調整でき、高い精度で対象部分の長さを測定できる。 According to the present invention, the tilt angle of the sample can be adjusted accurately, and the length of the target portion can be measured with high accuracy.
以下、図面に基づいて、本発明の実施例を説明する。なお、後述する装置構成や処理動作の内容は発明を説明するための一例である。本発明は、後述する装置構成や処理動作に既知の技術を組み合わせた発明や後述する装置構成や処理動作の一部を既知の技術と置換することによっても実現できる。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that the contents of the apparatus configuration and processing operation described later are examples for explaining the invention. The present invention can also be realized by replacing a known technique with an apparatus configuration and processing operation described later in combination with a known technique or a part of the apparatus configuration and processing operation described later.
［実施例１］
図１に、荷電粒子線装置の概略的な機能ブロック図を示す。電子線源（荷電粒子線源）１から放出された電子線（荷電粒子線）３は、加速電極２で加速された後、第一集束電磁レンズ４、第二集束電磁レンズ５及び対物電磁レンズ９の前磁場を経由して試料台１０に保持された試料１１に照射される。電子線源１には、例えばCold FE GUN(HF-3300,HD-2300)、SE GUN(HD-2700)、LaB6単結晶型GUN(H-9500,H-7650)、Wフィラメント(H-7650)等を使用する。
[Example 1]
FIG. 1 shows a schematic functional block diagram of the charged particle beam apparatus. An electron beam (charged particle beam) 3 emitted from an electron beam source (charged particle beam source) 1 is accelerated by an accelerating
試料１１は、照射された電子線３との相互作用により試料の情報を有する二次電子８、試料前方散乱電子１２、試料透過電子１３を発生する。このとき、電子線３は、電子線の光軸に対して対称位置に配置された走査コイル６により発生される磁場により試料上を走査する。なお、表示部ドライバー５９は、試料上の電子線の走査と表示画面上の描画走査の同期を取ることにより、表示部６０の表示画面上に試料の拡大像を形成する。
The sample 11 generates
試料から発生される二次電子８は、蛍光体１６の発光を検出する光電子増倍管１７を通じて検出される。なお、光電子増倍管１７の出力信号は、微小電流増幅器２９によって増幅され、ＡＤＣ（analog to digital converter）４１に与えられる。ＡＤＣ４１（analog to digital converter）により、光電子増倍管１７の出力信号は、アナログ形式からディジタル形式に変換され、データバスに取り込まれる。この実施例では、二次電子の検出器を蛍光体１６と光電子増倍管１７で構成するが、マルチチャネルプレートその他の半導体検出器を用いても良い。
The
因みに、試料から発生される試料前方散乱電子１２は、前方散乱電子検出器１４によって検出される。また、試料から発生される試料透過電子１３は、試料透過電子検出器１５によって検出される。前方散乱電子検出器１４及び試料透過電子検出器１５は、蛍光体と光電子増倍管の組合せとして構成しても良いし、半導体検出器として構成しても良い。
Incidentally, the sample forward scattered
電子線源１の印加電圧、加速電極２の加速電圧や電子線の引き出し電圧、フィラメント電流等の値は、マイクロプロセッサ４４により設定される。電圧や電流の設定信号は、マイクロプロセッサ４４からデータバスを経由してＤＡＣ（digital to analog converter）３２、３３に入力され、アナログ形式の信号に変換される。アナログ変換後の設定信号は、電圧安定装置２１、２２を通じて電子線源電源１８及び加速用高圧電源１９に与えられる。
The
第一集束電磁レンズ４、第二集束電磁レンズ５、対物電磁レンズ９の励磁電源も、マイクロプロセッサ４４により設定される。この設定信号は、マイクロプロセッサ４４からデータバスを経由してＤＡＣ（digital to analog converter）３４、３５、３９に入力され、アナログ形式の設定信号に変換される。アナログ変換後の設定信号は、電磁レンズ電源２３、２４、２５を通じ、電流信号として各電磁レンズに対して与えられる。
Excitation power sources for the first focusing
試料１１の位置制御は、オペレータによるロータリーエンコーダ５６、５７の操作を通じた試料台１０の駆動により、又は、予め記録された試料位置駆動パターンに従った試料台１０の駆動により実現される。ここで、試料台１０には、例えば二軸傾斜ホルダ、回転ホルダ、In-situホルダ等を使用する。また、ロータリーエンコーダ５６、５７の出力は、インターフェース５４、５５を通じて試料台１０の試料駆動装置２０に与えられる。
The position control of the sample 11 is realized by driving the sample stage 10 through an operation of the
走査機構（走査コイル６）が電子線３に作用させる電場又は磁場の大きさを変化させることにより、電子線３の試料上での走査量は任意に変化させることができる。例えば走査コイル６に印加する電流の大きさを変化させ、試料上における電子線３の走査範囲を変えれば、二次電子による試料像の拡大倍率を変えることができる。因みに、電子線が走査する試料表面の領域を狭くすれば二次電子像の拡大倍率は大きくなり、反対に電子線が走査する試料表面の領域を広くすれば二次電子像の拡大倍率は小さくなる。
By changing the magnitude of the electric field or magnetic field applied to the
この他、荷電粒子線装置は、偏向コイル７、コイル電源２６、２７、２８、微小電流増幅器３０、３１、ＤＡＣ３６、３７、３８、４０、ＡＤＣ４２、４３、ＲＡＭ４５、画像相関計算処理部４６、周期画像演算処理部４７、非周期画像演算処理部４８、倍率データテーブル４９、オフセット電圧計算部５０、偏向系制御部５１、補正データテーブル５２、像回転計算部５３、キーボード５８、コントラスト変換装置６１を有している。
In addition, the charged particle beam device includes a
図２に、試料１１の傾斜補正に関連する機能ブロックの概略構成を示す。電子線３は、試料１１で回折され、試料台１０の背後に配置された撮像部（例えばCCDカメラ６２）の検出面に電子線回折像（回折パターン）を構築する。なお、撮像部（検出器）は、CMOSカメラでも良い。ここでの撮像部（検出器）は、図１の試料透過電子検出器１５に対応する。CCDカメラ６２の検出信号（電子線回折像の情報）は、図１の微小電流増幅器３１、ＡＤＣ４３を通じてデータバスに与えられる。
FIG. 2 shows a schematic configuration of functional blocks related to the tilt correction of the sample 11. The
検出された電子線回折像は、自動傾斜補正ソフトウェア６３において、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の強度プロファイルに変換される。ここで、自動傾斜補正ソフトウェア６３は、マイクロプロセッサ４４において実行されるコンピュータプログラムとして提供される。自動傾斜補正ソフトウェア６３は、例えば試料面の電子線３に対する傾斜角のズレ量を計算し、計算結果に基づいて試料駆動装置２０を駆動制御することにより、試料１１の傾斜角度を最適な角度に調整する。試料駆動装置２０は、試料台の水平面内で駆動できるだけでなく、試料台の傾斜角も駆動制御できる。なお、傾斜角の調整は回転軸を中心とした回転量の制御だけでなく、複数個の高さ調整ピンの高さの調整によっても実現できる。以下では、便宜的に回転軸の周りに回転させる場合について説明する。また、自動傾斜補正ソフトウェア６３は、例えばＸ軸方向又はＹ軸方向を回転中心として試料１１の傾斜角をリアルタイムで自動調整し、各調整角について逐次抽出される電子線回折像の強度プロファイルに基づいて試料１１の傾斜角度を最適な角度に調整する。勿論、試料１１の傾斜角度の調整は、試料１１を搭載する試料台の傾斜角の駆動制御を通じて実現される。
The detected electron beam diffraction image is converted into intensity profiles in the X-axis direction and the Y-axis direction by the automatic
図３に、自動傾斜補正ソフトウェア６３を通じて実行される処理手順の概略を示す。自動傾斜補正処理は、自動傾斜補正処理を適用する箇所を探索する処理と、探索された箇所について試料の傾斜角を自動的に補正する処理に分類することができる。
FIG. 3 shows an outline of a processing procedure executed through the automatic
まず、自動傾斜補正ソフトウェア６３は、薄膜試料全体を電子線でスキャンし、各地点の電子線回折像を自動的に取得する（ステップ３０１）。次に、自動傾斜補正ソフトウェア６３は、電子線回折像の強度プロファイルとその座標情報に基づいて、薄膜試料（基板部）の中から単結晶の領域を探索する（ステップ３０２）。
First, the automatic
この実施例では、広い領域（例えば事前に設定された一定以上の面積をもつ領域）内の複数個所から全て同じ回折パターンが検出された場合、当該領域が基板部の単結晶領域であると判定する。判定精度を高めるためには、判定対象である領域内から回折パターンを取得する個数を増やすことが望ましい。また、回折パターンを取得する箇所は、判定対象である領域内で可能な限り離れていることが望ましい。例えば判定対象である領域が矩形である場合、その４隅付近を回折パターンの取得に用いることが望ましい。なお、薄膜試料全体のうち単結晶領域を探索する領域（判定対象としての領域）は、試料の多結晶部構造の大小等を考慮してユーザーが指定しても良い。もっとも、後述するように、当該探索領域を、画像処理等に基づいて自動設定する方式を採用しても良い。 In this embodiment, when the same diffraction pattern is detected from a plurality of locations in a wide region (for example, a region having a predetermined area or more set in advance), it is determined that the region is a single crystal region of the substrate portion. To do. In order to increase the determination accuracy, it is desirable to increase the number of diffraction patterns acquired from the determination target region. In addition, it is desirable that the places where the diffraction patterns are acquired be as far apart as possible within the region to be determined. For example, when the region to be determined is a rectangle, it is desirable to use the vicinity of the four corners for acquiring the diffraction pattern. Note that a region for searching for a single crystal region (region to be determined) in the entire thin film sample may be designated by the user in consideration of the size of the polycrystalline portion structure of the sample. However, as will be described later, a method of automatically setting the search area based on image processing or the like may be employed.
次に、自動傾斜補正ソフトウェア６３は、薄膜試料（基板部）の単結晶領域に電子線を照射させた状態のまま、薄膜試料をＸ軸方向に傾斜させる。すなわち、自動傾斜補正ソフトウェア６３は、Ｙ軸を中心に薄膜試料を回転駆動する。自動傾斜補正ソフトウェア６３は、薄膜試料のＸ軸方向の傾斜角（Ｙ軸周りの回転角）の情報と電子線回折像の強度プロファイルの情報をリアルタイムで取得する。自動傾斜補正ソフトウェア６３は、リアルタイムで得られる各傾斜角の強度プロファイルを画像処理し、強度プロファイルが左右対称となる傾斜角を自動的に探索する（ステップ３０３）。なお、薄膜試料の傾斜が所定角度に達すると、自動傾斜補正ソフトウェア６３は、例えば傾斜開始前の状態に戻す。また例えば、自動傾斜補正ソフトウェア６３は、強度プロファイルが左右対称となる傾斜角に、薄膜試料の傾斜を戻す。
Next, the automatic
自動傾斜補正ソフトウェア６３は、薄膜試料（基板部）の単結晶領域に電子線を照射させた状態のまま、今度は薄膜試料をＹ軸方向に傾斜させる。すなわち、自動傾斜補正ソフトウェア６３は、Ｘ軸を中心に薄膜試料を回転駆動する。自動傾斜補正ソフトウェア６３は、薄膜試料のＹ軸方向の傾斜角（Ｘ軸周りの回転角）の情報と電子線回折像の強度プロファイルの情報をリアルタイムで取得する。自動傾斜補正ソフトウェア６３は、リアルタイムで得られる各傾斜角の強度プロファイルを画像処理し、強度プロファイルがメインスポットに対して左右対称となる傾斜角を自動的に探索する（ステップ３０４）。
The automatic
ここで、ステップ３０３及び３０４において、強度プロファイルがメインスポットに対して左右対称となる傾斜角を探索するのは、強度プロファイルがメインスポットに対して左右対称となる傾斜角においては、薄膜試料面と電子線の入射軸との関係が垂直となり、測長誤差が最小化すると考えられるためである。
Here, in
前述したように、デバイス試料の単結晶部分の回折パターン像（強度スペクトルの分布）をＴＥＭ又はＴＥＭ付属のＳＴＥＭ機能で取得することにより、測長のために入射する電子ビーム線に対するデバイス試料の傾斜を自動的に補正することができる。 As described above, the diffraction pattern image (intensity spectrum distribution) of the single crystal portion of the device sample is acquired by the TEM or the STEM function attached to the TEM, thereby tilting the device sample with respect to the incident electron beam line for length measurement. Can be automatically corrected.
以上のように、本実施例の場合には、複数の傾斜角についてリアルタイムに出現する複数枚の強度プロファイルを使用し、測長に最適な傾斜角を探索する手法を採用する。しかし、測長に最適な傾斜角を、ある１つの傾斜角について得られる１枚の強度プロファイルに基づいて、自動傾斜補正ソフトウェア６３の演算処理を通じて求めても良い。
As described above, in the case of the present embodiment, a technique for searching for an optimum tilt angle for length measurement is used by using a plurality of intensity profiles that appear in real time for a plurality of tilt angles. However, the optimum tilt angle for length measurement may be obtained through calculation processing of the automatic
［実施例２］
続いて、実施例に係る荷電粒子線装置を用いた測長処理手順の概略を説明する。図４に、実施例に係る測長処理手順のフローチャートを示す。
[Example 2]
Then, the outline of the length measurement process procedure using the charged particle beam apparatus which concerns on an Example is demonstrated. FIG. 4 is a flowchart of the length measurement processing procedure according to the embodiment.
まず、測長対象の結晶構造を確認する。具体的には、測長対象は単結晶部のみの構造か否かを判定する（ステップ４０１）。この判定は、例えば作業者が行う。 First, the crystal structure to be measured is confirmed. Specifically, it is determined whether or not the length measurement target is a structure having only a single crystal portion (step 401). This determination is performed by an operator, for example.
測長対象が単結晶のみの領域で構成されている場合（ステップ４０１で肯定結果の場合）、測長対象のみを含む薄膜試料の加工領域をＦＩＢ（Focused Ion Beam）装置に対して作業者が入力し、薄膜試料を製作する（ステップ４０２）。一方、測長対象が多結晶又は非晶質の領域で構成されている場合（ステップ４０１で否定結果の場合）、作業者が測長対象だけでなく単結晶部も含む薄膜試料の加工領域をＦＩＢ（Focused Ion Beam）装置に対して作業者が入力し、薄膜試料を製作する（ステップ４０３）。 When the object to be measured is composed of only a single crystal region (in the case of an affirmative result in step 401), the worker can set the processing region of the thin film sample including only the object to be measured to the FIB (Focused Ion Beam) apparatus. Then, a thin film sample is manufactured (step 402). On the other hand, when the length measurement target is composed of a polycrystalline or amorphous region (in the case of a negative result in step 401), the operator can select a thin film sample processing region including not only the length measurement target but also the single crystal portion. An operator inputs to a FIB (Focused Ion Beam) apparatus to manufacture a thin film sample (step 403).
次に、薄膜試料（デバイス試料）は荷電粒子線装置内に導入される。荷電粒子線装置は、導入された薄膜試料について測長対象を探索する（ステップ４０４）。なお、測長対象の座標は、作業者によって荷電粒子線装置に入力される。 Next, the thin film sample (device sample) is introduced into the charged particle beam apparatus. The charged particle beam apparatus searches for a length measurement target for the introduced thin film sample (step 404). Note that the coordinates of the measurement target are input to the charged particle beam apparatus by the operator.
次に、荷電粒子線装置（図１）は、単結晶部の回折パターンを表示部６０に表示し、薄膜試料の最適な傾斜角を手動又は自動で調整する（ステップ４０５）。図３で説明したように、薄膜試料の傾斜角の調整は単結晶部について行う必要がある。従って、薄膜試料が単結晶のみで構成されていない場合、傾斜補正を実行するための領域を特定又は指定する必要がある。この実施例の場合、傾斜補正に使用する領域は、例えば作業者が表示部６０に表示された画像に基づいて指定しても良いし、後述する手法により荷電粒子線装置が自動的に特定しても良い。当該ステップ４０５において、荷電粒子線装置は、単結晶部について薄膜試料を測長に適した傾斜角（Ｘ軸方向の傾斜角及びＹ軸方向の傾斜角）に調整する。
Next, the charged particle beam apparatus (FIG. 1) displays the diffraction pattern of the single crystal part on the
この後、荷電粒子線装置は、格子縞又は既知の幅を観察し、１ピクセル当たりの長さを校正をする（ステップ４０６）。次に、荷電粒子線装置は、測長対象の領域を観察し、その画像を取得する（ステップ４０７）。 Thereafter, the charged particle beam apparatus observes the checkerboard pattern or the known width and calibrates the length per pixel (step 406). Next, the charged particle beam apparatus observes the area to be measured and acquires an image thereof (step 407).
ここで、作業者は、必要とする測長対象の画像が取得されたか否かを取得された画像に基づいて判断する（ステップ４０８）。もし、ステップ４０８で否定結果が得られた場合、作業者は、不足する測長対象は、同じ薄膜試料内に存在するか否かを判定する（ステップ４０９）。もし、不足する測長対象が同じ薄膜試料内に存在する場合（ステップ４０９で肯定結果の場合）、作業者は、観察視野の移動を荷電粒子線装置に指示する（ステップ４１０）。この結果、荷電粒子線装置は、新たに指定された観察視野領域の画像を取得するステップ４０７に戻る。一方、ステップ４０９で否定結果が得られた場合、作業者は、薄膜試料の交換を指示し、新たな薄膜試料について回折パターンの表示、薄膜試料の傾斜補正を実行する（ステップ４１１）。その後、作業者は、現在の倍率が、ステップ４０６で校正した倍率と同じか否かを判定し、倍率が違っている場合にはステップ４０６に戻り、倍率が同じ場合にはステップ４０７に戻る（ステップ４１２）。
Here, the operator determines whether or not the required length measurement target image has been acquired based on the acquired image (step 408). If a negative result is obtained in
以上のように、倍率が校正された測長対象の画像が得られた場合（ステップ４０８で肯定結果が得られた場合）、作業者は、荷電粒子線装置の表示部６０に表示された観察対象について測長作業を実行する（ステップ４１３）。なお、薄膜試料の視野領域内に同一形状かつ同一箇所（同じデバイス構造を有する視野内の複数個所）については一括して測長する。以上のように、実施例に係る荷電粒子線装置を用いた測長処理は、ステップ４０２からステップ４１３について適用される。
As described above, when an image of a length measurement object with a calibrated magnification is obtained (when an affirmative result is obtained in step 408), the operator observes the observation displayed on the
［実施例３］
図５に、荷電粒子線装置を用いた測長技術を具体的に説明する。図５は、薄片化された試料の断面、その上面、当該領域の回折パターンをそれぞれ観察した図を示している。前述した測長技術は、格子縞又は既知の長さを有する試料であれば、どのような試料についても適用可能である。ただし、図５の試料では、便宜的に簡単な構造のシリコン（Ｓｉ）単結晶のラインパターン６４を想定する。なお、ラインパターン６４の表面は、保護膜層６５で覆われている。
[Example 3]
FIG. 5 specifically describes a length measurement technique using a charged particle beam apparatus. FIG. 5 shows a cross-sectional view of the sliced sample, its top surface, and a diffraction pattern of the region observed. The above-described length measurement technique can be applied to any sample as long as the sample has a check pattern or a known length. However, the sample of FIG. 5 assumes a silicon (Si) single
まず、傾斜角度０°の状態（初期の傾斜角であり、傾斜補正は実行されていない状態）で観察される薄片化された試料の断面像５０１及び上面像５０２を、実施例に対する比較例として説明する。ここで、上面像５０２は、透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope; TEM）及び走査型透過電子顕微鏡（Scanning TEM; STEM）によっては観察することができない。ただし、傾斜補正が実行されない場合、上面像５０２に示すような傾斜ズレが予想される。前述した傾斜補正を実行しない場合、回折パターン５０３が得られる。図５の場合、回折パターン５０３は、正六角形の各頂点位置に対応する６つのスポットと、正六角形の中心位置に対応する１つのスポット（メインスポット）で構成される。回折パターン５０３の場合、６つのスポットの大きさがばらついている（左右対称でない）。従って、初期傾斜角における薄膜試料は、測長に使用する電子線の入射角に対して傾斜しており、測長結果に傾斜ズレの影響が残ることが予想される。
First, a
そこで、図３に示す傾斜補正を実行し、メインスポットの周りに均等な大きさの６個のスポットが出現する回折パターン５０６が薄膜試料の傾斜角を調整する。この実施例では、自動傾斜補正ソフトウェア６３が傾斜補正を自動実行するが、同等の補正を手動で行うことも可能である。傾斜補正を実行すると、断面像５０４と上面像５０５が得られる。このような断面像５０４と上面像５０５からも試料の傾斜調整が正確に実施されていることを確認することができる。
Therefore, the tilt correction shown in FIG. 3 is executed, and the
次に、荷電粒子線装置は、断面像５０４の領域Ａの高分解能像（図６）を観察し、格子縞６８の観察を通じて長さを測定する。この測定情報に基づいて、１ピクセル当たりの長さを校正する。次に、校正した情報（１ピクセル当たりの長さ）に基づいて、視野領域内の測長対象Ｂを測長する。
Next, the charged particle beam apparatus observes a high-resolution image (FIG. 6) of the region A of the
［実施例４］
以下では、測長処理に関連する個別の処理動作の具体例を説明する。まず、図７を用い、校正処理動作の具体例を説明する。図７は、既知の幅を有する構造物６９の断面図である。なお、図７は、格子縞を観察できない低倍率の断面図とする。この場合、既知の長さを有する幅Ｃを用いて１ピクセル当たりの長さを校正することができる。
[Example 4]
Hereinafter, specific examples of individual processing operations related to the length measurement process will be described. First, a specific example of the calibration processing operation will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view of a
図８に、薄膜試料の傾斜角を自動補正する場合における回折パターンの調整方法を示す。なお、前述したように、傾斜角の補正は、薄膜試料内の単結晶部について行われる。図８のうち回折パターン８０１は、薄膜試料の傾斜角が最適角からズレている場合（単結晶面が電子線と垂直でない場合）の例である。図５の回折パターン５０３と同様、スポットが左右対称になっていないことが分かる。
FIG. 8 shows a method for adjusting a diffraction pattern when automatically correcting the tilt angle of a thin film sample. As described above, the inclination angle is corrected for the single crystal portion in the thin film sample. The
強度スペクトル８０２及び８０３は、それぞれ回折パターン８０１のＤ方向に対する強度スペクトル及びＥ方向に対する強度スペクトルである。強度スペクトル８０２内のピークＧの強度とピークＨの強度、並びに、ピークＦの強度とピークＩの強度がそれぞれ一致していないことが分かる。一方、強度スペクトル８０３内のピーク強度ＫとピークＬの強度、並びに、ピーク強度Ｊとピーク強度Ｍの強度はそれぞれ一致していることが分かる。以上の関係から、傾斜角の調整は、Ｄ方向についてのみ（すなわち、メインスポットを通るＥ方向を回転軸とする回転角の調整のみ）が必要であることが分かる。
このように、直交する２方向（ここではＤ方向及びＥ方向）について取得される各傾斜角に対応する回折パターンの強度スペクトルの関係をリアルタイムでモニタリングしながら傾斜角を調整することにより、傾斜角が最適化された回折パターン８０４及び強度パターン８０５及び８０６が得られる。
Thus, by adjusting the tilt angle while monitoring in real time the relationship between the intensity spectra of the diffraction patterns corresponding to the respective tilt angles acquired in two orthogonal directions (here, the D direction and the E direction), the tilt angle is adjusted. Is obtained as a
［実施例５］
以下では、測長対象が単結晶のみで構成されていない場合における薄膜試料の作製方法について説明する。図９に、傾斜補正に必要な単結晶部と測定対象を含む薄膜試料を作製するための方法の一例を示す。
[Example 5]
Hereinafter, a method for manufacturing a thin film sample in the case where the measurement target is not composed of only a single crystal will be described. FIG. 9 shows an example of a method for producing a thin film sample including a single crystal portion necessary for tilt correction and a measurement object.
図９には、多結晶領域（測定対象）と単結晶領域の両方を含む試料の鳥瞰像９０１を示す。なお、鳥瞰像９０１に示す試料は、多結晶のラインパターン７０で構成されている。側面図９０２及び９０４は、鳥瞰像９０１に対応する構造部分を側面方向から見た図である。また、上面図９０３は、ＦＩＢ（Focused Ion Beam）加工観察装置を用い、側面図９０２のうち点線で囲まれた領域Ｘを対象として切り出した薄膜試料を上面側から見た図である。上面図９０３の場合、薄膜試料には単結晶領域が存在しない。すなわち、薄膜試料には、多結晶のラインパターン７０と保護膜６５しか存在しない。従って、領域Ｘに対応する薄膜試料によっては、前述した回折パターンを用いた傾斜調整を行うことができない。
FIG. 9 shows a bird's-
そこで、側面図９０４の実線で囲まれた領域Ｙを薄膜試料として用意する。この側面図９０４には、上面図９０５が対応する。この薄膜試料は、測長対象の領域（ラインパターン７０のある高さ（基板面からの長さ）におけるパターン断面）と単結晶の基板面の両方を立体的に含む。このため、領域Ｙは、３本のラインパターン７０のうち１本のラインパターンの深部まで（単結晶の基板面が現れる深度まで）試料を切り下げた構造を有している。上面図９０５の場合、薄膜試料の３分の１程度の面積が単結晶部となる。このため、上面図９０５の３分の１程度が、単一の格子縞のみの連続領域で構成されている。
Therefore, a region Y surrounded by a solid line in the
以上説明したように、測長対象が単結晶のみで構成されていない場合には、領域Ｙのように立体的に薄膜試料を切り出すことにより、測長対象と単結晶部の両方を含む薄膜試料を作製することができる。勿論、薄膜試料のうち測長対象であるラインパターン７０を含む上面側の加工面と、単結晶部を含む下面側の加工面は平行になる。この平行性は、ＦＩＢ加工観察装置の加工精度から保証される。以上のように、測長対象の領域に単結晶が含まれない場合にも、図９で示す薄膜試料の作製方法の適用により、傾斜補正が可能な薄膜試料を作製できる。
As described above, when the object to be measured is not composed of only a single crystal, the thin film sample including both the object to be measured and the single crystal part is cut out three-dimensionally as in the region Y. Can be produced. Of course, the processed surface on the upper surface side including the
［実施例６］
次に、図１０を用い、多結晶部及び単結晶部を含む薄膜試料から自動的に単結晶部だけを含む基板部を探索する方法について説明する。そこで、上面図９０５に対応する薄膜試料の上面図１００１を示す。前述の通り、上面図１００１には、多結晶の領域と単結晶の領域の両方が含まれている。
[Example 6]
Next, a method for automatically searching for a substrate portion including only a single crystal portion from a thin film sample including a polycrystalline portion and a single crystal portion will be described with reference to FIG. Therefore, a
まず、上面図１００１を有する薄膜試料の全ての上面領域について、電子線回折像を取得する。次に、任意に指定した領域Ｚ及び領域Ａ’（図中太線で示す正方形領域）の電子線回折像を比較する。なお、領域Ｚ及び領域Ａ’の面積は同じである。ここで、領域Ｚ及び領域Ａ’の面積は、多結晶領域のサイズに応じて決定するのが望ましい。また、今回抽出している２つの領域は、同じ面積の領域単位で上面領域の全域をスキャンした後に指定した一部を表示している。このうち、領域Ｚは、多結晶のラインパターン７０及びアモルファスの保護膜層６５を含む領域である。一方、領域Ａ’は基板の単結晶のみを含む領域である。
First, electron beam diffraction images are acquired for all upper surface regions of a thin film sample having a
領域内の複数点の回折パターンが全て同じである場合、荷電粒子線装置は、当該領域が単結晶の領域であると判定する。一方、領域内の複数点の回折パターンが全て同じでない場合、荷電粒子線装置は、当該領域が単結晶の領域でないと判定する。例えば電子線回折像１００２は、領域Ａ’内のＢ’点について得られる回折パターンである。領域Ａ’は全て単結晶のため、領域Ａ’内の任意の複数点の電子線回折像が全て同じになる。なお、単結晶の領域か否かの判定に使用する観察点の個数は多い方が好ましい。例えば２個以上が好ましい。また、観察点同士は、判定領域内で可能な限り離れた場所を含む方が好ましい。観察点の分布領域が狭い場合、誤判定のおそれが高まるからである。例えば判定対象の領域の４隅付近を観察点とすることが望ましい。
When the diffraction patterns at a plurality of points in the region are all the same, the charged particle beam apparatus determines that the region is a single crystal region. On the other hand, when the diffraction patterns at a plurality of points in the region are not all the same, the charged particle beam apparatus determines that the region is not a single crystal region. For example, the electron
一方、電子線回折像１００３、１００４及び１００５は、領域Ｚ内のＣ’点、Ｄ’点及びＥ’点のそれぞれについて得られる回折パターンである。図１０の領域Ｚは、多結晶部（Ｃ’点、Ｄ’点）及びアモルファス部（Ｅ’点）を含む。このため、電子線回折像１００３、１００４及び１００５に示すように、領域Ｚ内に複数の電子線回折像が出現する。このように、一つの判定領域内に異なる結晶構造が複数存在する場合、当該領域は基板部ではないとソフトウェア処理によって判定することができる。
On the other hand, the electron
従って、測長対象の領域が単結晶でない場合でも、その薄膜試料のうち作業者が任意に指定された領域について電子線をスキャンし、該当領域内の各点の電子線回折像を検出することにより、単結晶だけの構造を有する領域Ａ’を自動的に検出することができる。この実施例では、作業者が領域を指定することで電子線のスキャン範囲を限定し、単結晶領域の検出効率を高めている。ただし、荷電粒子線装置が過去の同種の測定結果の情報等をデータベースから読み出し、当該情報に基づいて指定した領域について単結晶領域か否かの判定を実行しても良い。 Therefore, even when the region to be measured is not a single crystal, the electron beam is scanned for the region arbitrarily designated by the operator in the thin film sample, and an electron beam diffraction image of each point in the corresponding region is detected. Thus, the region A ′ having a single crystal structure can be automatically detected. In this embodiment, the scanning range of the electron beam is limited by the operator specifying the region, and the detection efficiency of the single crystal region is increased. However, the charged particle beam apparatus may read information on the same kind of measurement results in the past from the database and determine whether or not the region designated based on the information is a single crystal region.
［実施例７］
以下、他の実施例を説明する。図９に示す例の場合、薄膜試料を平面状に切り出す場合について説明した。しかし、薄膜試料を針状に加工する場合にも、同様に最適な傾斜補正及び高精度での測長が可能である。図１１に、針状に加工された薄膜試料の鳥瞰図１１０１及びその側面図１１０２及び１１０３を示す。側面図１１０２は薄膜試料を鳥瞰図１１０１のＦ’方向から見た構造であり、側面図１１０３は薄膜試料を鳥瞰図１１０１のＧ’方向から見た構造である。なお、側面図１１０２及び１１０３は、いずれもＦＩＢ加工前の側面図であり、太線で囲まれた領域Ｈ’及びＩ’がＦＩＢ加工後に残る領域に対応する。図１１に示す針状の薄膜領域の場合も、単結晶だけで構成される基板に対応する領域（格子縞６８）と、測長領域に対応する多結晶のラインパターン７０の両方が含まれている。従って、針状の薄膜試料を用いても、傾斜補正後に高精度の測長を実現できる。
[Example 7]
Other embodiments will be described below. In the case of the example shown in FIG. 9, the case where a thin film sample is cut out in a planar shape has been described. However, even when a thin film sample is processed into a needle shape, optimum tilt correction and length measurement with high accuracy are possible as well. FIG. 11 shows a bird's
また、前述の実施例では、薄膜試料をＦＩＢにより加工する場合について説明したが、イオンミリング装置を用いて作製しても良い。 In the above-described embodiment, the thin film sample is processed by FIB. However, the thin film sample may be manufactured using an ion milling apparatus.
前述したように、デバイス試料の単結晶部分の回折パターン像（強度スペクトルの分布）をＴＥＭ又はＴＥＭ付属のＳＴＥＭ機能で取得することにより、測長のために入射する電子ビーム線に対するデバイス試料の傾斜を自動的に補正することができる。 As described above, the diffraction pattern image (intensity spectrum distribution) of the single crystal portion of the device sample is acquired by the TEM or the STEM function attached to the TEM, thereby tilting the device sample with respect to the incident electron beam line for length measurement. Can be automatically corrected.
このとき、高分解能像観察による格子縞又はデバイス等の既知の長さを有する幅を用いて測長結果を校正すれば、測長精度を一段と高めることができる。なお、多結晶部のみ領域を測長対象としたい場合は、多結晶部と単結晶部の両方を含む薄膜試料をＦＩＢ加工により作製することにより、多結晶部分の測長実行前に、薄膜試料の傾斜ずれを補正することができる。 At this time, if the length measurement result is calibrated using a width having a known length such as a lattice pattern or a device obtained by high-resolution image observation, the length measurement accuracy can be further improved. In addition, when it is desired to measure only the polycrystalline portion, the thin film sample including both the polycrystalline portion and the single crystal portion is manufactured by FIB processing. Can be corrected.
また、高角度散乱暗視野（HAADF：High Angle Annular Dark Field）STEM像を用いて薄膜試料を観察すれば、結晶構造によるコントラストの影響を低減できる。これにより、測長区間を正確に指定でき、結果的に測長精度を向上させることができる。 In addition, if a thin film sample is observed using a high-angle scattering dark field (HAADF) STEM image, the influence of contrast due to the crystal structure can be reduced. Thereby, the length measurement section can be specified accurately, and as a result, the length measurement accuracy can be improved.
また、結像に寄与するレンズがＴＥＭより少ないＳＴＥＭ専用機を測長時に使用すれば、測長結果に対する倍率誤差を少なくすることができる。 Further, if a STEM dedicated machine that contributes to image formation with fewer lenses than TEM is used for length measurement, a magnification error with respect to the length measurement result can be reduced.
また、薄膜試料内の多数の測長対象を一括して測長することにより、又は、薄膜試料のうち同一構造や形状を有する測長対象を一括して測長することにより、薄膜試料のうち基板面に対して同じ高さを有する部分（同一箇所）の測長対象を一括して測長することにより、測長対象間の測長誤差を少なくすることができる。 In addition, by measuring a number of length measurement objects in a thin film sample at once, or by measuring a length measurement object having the same structure or shape in a thin film sample, By measuring the length measurement objects of the same height with respect to the substrate surface in a lump, the measurement error between the measurement objects can be reduced.
また、前述した図６及び図７に示したように、格子縞又は既知の長さによる構成を実施した倍率が、格子縞又は既知の長さを有する構造物全体を観察できない場合でも、前述した傾斜補正技術を適用して電子線と薄膜試料の位置関係を最適化すれば、倍率（視野）が異なる場合にも高精度での測長が可能になる。 Further, as shown in FIG. 6 and FIG. 7 described above, the inclination correction described above is performed even when the magnification obtained by the configuration using the lattice stripe or the known length cannot observe the entire structure having the lattice stripe or the known length. By applying the technology and optimizing the positional relationship between the electron beam and the thin film sample, it is possible to measure the length with high accuracy even when the magnification (field of view) is different.
また、前述した傾斜補正技術は、前述したように、回折パターンの傾斜補正箇所の自動検出処理（薄膜試料から単結晶の領域を自動的に検出する処理）を組み合わせることにより、傾斜補正の完了までの時間を短縮することができる。 In addition, as described above, the tilt correction technique described above is combined with an automatic detection process of a diffraction pattern tilt correction position (a process of automatically detecting a region of a single crystal from a thin film sample) until the tilt correction is completed. Can be shortened.
１：荷電粒子線源、２：加速電極、３：電子線、４：第一集束電磁レンズ、５：第二集束電磁レンズ、６：走査コイル、７：偏向コイル、８：試料二次電子、９：対物電磁レンズ、１０：試料台、１１：試料、１２：試料前方散乱電子、１３：試料透過電子、１４： 試料前方散乱電子検出器、１５：試料透過電子検出器、１６：蛍光体、１７：光電子増倍管、１８：電子線源電源、１９：加速用高圧電源、２０：試料駆動装置、２１：電圧安定装置、２２：電圧安定装置、２３〜２５：電磁レンズ電源、２６〜２８：コイル電源、２９〜３１：微小電流増幅器、３２〜４０：デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）、４１〜４３：アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）、４４：マイクロプロセッサ、４５：ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、４６：画像相関計算処理部、４７：周期画像演算処理部、４８：非周期画像演算処理部、４９：倍率データテーブル、５０：オフセット電圧計算部、５１：偏向系制御部、５２：補正データテーブル、５３：像回転計算部、５４〜５５：インターフェース、５６〜５７：ロータリーエンコーダ、５８：キーボード、５９：表示部ドライバー、６０：表示部、６１：コントラスト変換装置、６２：CCDカメラ、６３：自動傾斜補正ソフトウェア、６４：Si単結晶のラインパターン、６５：保護膜層、６６：回折パターンのメインスポット、６７：回折パターンのスポット、６８：格子縞、６９：既知の幅を有する構造物、７０：多結晶のラインパターン 1: charged particle beam source, 2: acceleration electrode, 3: electron beam, 4: first focusing electromagnetic lens, 5: second focusing electromagnetic lens, 6: scanning coil, 7: deflection coil, 8: sample secondary electron, 9: Objective electromagnetic lens, 10: Sample stage, 11: Sample, 12: Sample forward scattered electron, 13: Sample transmitted electron, 14: Sample forward scattered electron detector, 15: Sample transmitted electron detector, 16: Phosphor, 17: Photomultiplier tube, 18: Electron beam source power supply, 19: High-voltage power supply for acceleration, 20: Sample driving device, 21: Voltage stabilizer, 22: Voltage stabilizer, 23-25: Electromagnetic lens power supply, 26-28 : Coil power supply, 29-31: Micro current amplifier, 32-40: Digital-analog converter (DAC), 41-43: Analog-digital converter (ADC), 44: Microprocessor, 45: Random access memory (RAM) ), 46: Image correlation calculation processing unit, 47: Periodic image calculation processing unit, 48: Aperiodic image calculation processing unit, 49: Magnification data table, 50: Offset voltage calculation unit, 51: Deflection system control unit, 52: Correction data table 53: Image rotation calculation unit, 54-55: Interface, 56-57: Rotary encoder, 58: Keyboard, 59: Display unit driver, 60: Display unit, 61: Contrast conversion device, 62: CCD camera, 63: Automatic Tilt correction software, 64: Si single crystal line pattern, 65: protective film layer, 66: main spot of diffraction pattern, 67: spot of diffraction pattern, 68: lattice fringe, 69: structure having known width, 70: Polycrystalline line pattern
Claims (9)
試料を保持する試料台と、
前記試料台を駆動する駆動部と、
前記荷電粒子線を試料に集束させるレンズ系と、
前記荷電粒子線を偏向する偏向器と、
前記荷電粒子線の照射によって試料から発生する信号を検出し、試料像を検出する検出器と、
前記試料の電子線回折像を検出する撮像部と、
前記試料像及び又は前記電子線回折像を表示する表示部と、
演算処理部と
を有し、
前記演算処理部は、
前記試料の電子線回折像における強度プロファイル及び座標情報に基づいて、単結晶の領域を探索し、
当該探索された前記試料の単結晶部から取得される前記電子線回折像のパターンの対称性に基づいて前記駆動部を制御し、前記荷電粒子線に対する前記試料の傾斜角を補正する
ことを特徴とする荷電粒子線装置。 A charged particle beam source for generating a charged particle beam;
A sample stage for holding the sample;
A drive unit for driving the sample stage;
A lens system for focusing the charged particle beam on a sample;
A deflector for deflecting the charged particle beam;
A detector that detects a signal generated from the sample by irradiation of the charged particle beam and detects a sample image;
An imaging unit for detecting an electron diffraction image of the sample;
A display unit for displaying the sample image and / or the electron diffraction image;
An arithmetic processing unit, and
The arithmetic processing unit includes:
Based on the intensity profile and coordinate information in the electron diffraction image of the sample, search for the region of the single crystal,
The drive unit is controlled based on the symmetry of the pattern of the electron beam diffraction image acquired from the searched single crystal part of the sample, and the tilt angle of the sample with respect to the charged particle beam is corrected. A charged particle beam device.
前記演算処理部は、前記電子線回折像におけるメインスポットの周辺に出現する複数のスポットの大きさが均等になるように前記傾斜角を補正する
ことを特徴とする荷電粒子線装置。 The charged particle beam apparatus according to claim 1,
The charged particle beam apparatus, wherein the arithmetic processing unit corrects the inclination angle so that the sizes of a plurality of spots appearing around a main spot in the electron beam diffraction image are uniform.
前記演算処理部は、少なくとも１つの傾斜方向に対して前記試料の傾斜角を変化させる際にリアルタイムで検出される複数の電子線回折像の変化に基づいて、前記複数のスポットの大きさが均等になる傾斜角を検出する
ことを特徴とする荷電粒子線装置。 The charged particle beam apparatus according to claim 2,
The arithmetic processing unit is configured such that the sizes of the plurality of spots are equal based on changes in the plurality of electron diffraction images detected in real time when the tilt angle of the sample is changed with respect to at least one tilt direction. A charged particle beam device characterized by detecting an inclination angle to become.
前記演算処理部は、前記複数のスポットのうち傾斜方向についてメインスポットの対称位置の強度スペクトル同士が同じ大きさになる傾斜角を、前記複数のスポットの大きさが均等になる傾斜角として検出する
ことを特徴とする荷電粒子線装置。 In the charged particle beam device according to claim 3,
The arithmetic processing unit detects an inclination angle at which intensity spectra at symmetrical positions of the main spot in the inclination direction among the plurality of spots have the same magnitude as an inclination angle at which the sizes of the plurality of spots are equal. A charged particle beam apparatus characterized by that.
前記単結晶部から電子線回折像を撮像部によって取得する処理と、
取得された前記電子線回折像のパターンの対称性に基づいて、荷電粒子線に対する前記試料の傾斜角を補正する処理と、
傾斜角の補正後に前記指定領域を測長する処理と
を有し、
前記試料の傾斜角を補正する処理は、前記試料の電子線回折像における強度プロファイル及び座標情報に基づいて、単結晶の領域を探索し、当該探索された前記試料の単結晶部から取得される前記電子線回折像のパターンの対称性に基づいて前記駆動部を制御し、前記荷電粒子線に対する前記試料の傾斜角を補正する
ことを特徴とする荷電粒子線を用いた測長方法。 A method of measuring a specified region of a sample that has been thinned while leaving a single crystal part,
Processing for acquiring an electron diffraction image from the single crystal part by an imaging unit;
Processing for correcting the tilt angle of the sample with respect to the charged particle beam based on the symmetry of the pattern of the acquired electron beam diffraction image;
Measuring the specified area after correcting the tilt angle, and
The process of correcting the tilt angle of the sample is obtained from the single crystal portion of the searched sample by searching a single crystal region based on the intensity profile and coordinate information in the electron diffraction image of the sample. A length measuring method using a charged particle beam, wherein the driving unit is controlled based on the symmetry of the pattern of the electron beam diffraction image to correct an inclination angle of the sample with respect to the charged particle beam.
前記試料の傾斜角を補正する処理は、前記電子線回折像におけるメインスポットの周辺に出現する複数のスポットの大きさが均等になるように前記傾斜角を補正する
ことを特徴とする荷電粒子線を用いた測長方法。 In the length measuring method of Claim 5 ,
The process of correcting the tilt angle of the sample corrects the tilt angle so that the sizes of a plurality of spots appearing around the main spot in the electron beam diffraction image are equalized. Measuring method using
前記試料の傾斜角を補正する処理は、少なくとも１つの傾斜方向に対して前記試料の傾斜角を変化させる際にリアルタイムで検出される複数の電子線回折像の変化に基づいて、前記複数のスポットの大きさが均等になる傾斜角を検出する
ことを特徴とする荷電粒子線を用いた測長方法。 The length measuring method according to claim 6 ,
The processing for correcting the tilt angle of the sample is based on changes in the plurality of electron diffraction images detected in real time when the tilt angle of the sample is changed with respect to at least one tilt direction. A length measuring method using a charged particle beam, characterized by detecting an inclination angle at which the sizes of the particles are uniform.
前記試料の傾斜角を補正する処理は、前記複数のスポットのうち傾斜方向についてメインスポットの対称位置の強度スペクトル同士が同じ大きさになる傾斜角を、前記複数のスポットの大きさが均等になる傾斜角として検出する
ことを特徴とする荷電粒子線を用いた測長方法。 The length measuring method according to claim 6 ,
The processing for correcting the tilt angle of the sample is such that, among the plurality of spots, the tilt angles at which the intensity spectra at the symmetrical positions of the main spot are the same in the tilt direction are the same, and the sizes of the plurality of spots are equalized. A length measuring method using a charged particle beam, characterized in that it is detected as an inclination angle.
前記指定領域をHAADF-STEM像を用いて指定する
ことを特徴とする荷電粒子線を用いた測長方法。 In the length measuring method of Claim 5 ,
A length measuring method using a charged particle beam, wherein the designated area is designated using a HAADF-STEM image.
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