(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
側部に予備排気室を有する試料室の上部に、鏡筒が直立して備えられている走査形電子顕微鏡において、
前記試料室を傾斜させる駆動手段を設け、
前記試料室の変形に伴う試料面での電子ビームの照射位置のずれが、前記駆動手段による前記試料室の傾斜の制御により補正されるように構成したことを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項２】
請求項１に記載の発明において、
前記駆動手段は、予備排気室が内部の圧力変化により変形して前記試料室に変形が現われたとき制御されることを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の発明において、
前記駆動手段は、前記試料室と当該試料室を支持するベースの間に、前記鏡筒の中心軸に対してほぼ等角度で、ほぼ等距離離れて配置されている少なくとも３個の圧電素子で構成されていることを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の発明において、
前記駆動手段は、前記試料室と当該試料室を支持するベースの間に、前記鏡筒の中心軸に対してほぼ等角度で、ほぼ等距離離れて配置されている少なくとも３個のモータ駆動形くさび式移動機構で構成されていることを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項５】
請求項１又は請求項２に記載の発明において、
前記駆動手段を制御する制御手段を設け、
該制御手段は、予め前記該試料室の変形量と時間の関係を把握し、前記駆動手段の操作量を決定して当該駆動手段を制御することを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項６】
請求項１又は請求項２に記載の発明において、
前記駆動手段を制御する制御手段と、
前記試料室の変形を検出する歪み検出手段とを設け、
前記制御手段は、予め前記歪み検出手段により測定された歪み量と時間の関係から前記駆動手段の操作量を算出し、前記駆動手段を制御することを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項７】
請求項１又は請求項２に記載の発明において、
前記駆動手段を制御する制御手段と、
前記試料室の天板に取付けた傾斜検出手段とを設け、
前記制御手段は、予め前記傾斜検出手段により測定された傾斜量と時間の関係から前記駆動手段の操作量を算出し、前記駆動手段を制御することを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項８】
請求項１又は請求項２に記載の発明において、
前記駆動手段を制御する制御手段と、
前記予備排気室に取付けた圧力検出手段とを設け、
前記制御手段は、予め前記圧力検出手段により測定された圧力量と時間の関係から前記駆動手段の操作量を算出し、前記駆動手段を制御することを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項９】
請求項１又は請求項２に記載の発明において、
前記駆動手段は、前記試料室と当該試料室を支持するベースの間に配置されている圧電素子もしくはくさび式移動機構で構成されることを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、予備排気室を備えた走査形電子顕微鏡に係り、特に半導体製造分野において検査観察用に使用されるのに好適な走査形電子顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体素子の製造分野において、半製品や製品の観察と検査用に走査形電子顕微鏡(ＳＥＭ)が広く用いられるようになっているが、これは、電子顕微鏡が有する高分解能特性と焦点深度が深いという特性による利点が大きいからである。
【０００３】
ところで、ＳＥＭにおける試料、例えばシリコンウエハなどの試料の観察や検査における処理の流れは、次の通りになっているのが一般的である。
まず、最初、ウエハ搬送ロボットにより、ウエハカセットからウエハが取り出され、ＳＥＭの予備排気室に搬入される。
【０００４】
次に、真空ポンプで予備排気室内を排気し、室内が一定の真空度に達したら、この予備排気室とＳＥＭの試料室の間にあるバルブ(扉)が開かれ、ウエハが試料室に搬送される。
ここで、予備排気室が設けてある理由は、内部空間の容積がかなり大きい試料室の排気とエアリークを、ウエハ搬送の都度行うようにしたのでは、多大の処理時間を要するためである。
【０００５】
試料室の中に搬送されたウエハは、試料室内で更に所定の位置に移動され、ここで電子線がウエハ面に照射され、スキャニング(走査)される。そして、これにより発生される二次電子を検出してウエハ面にあるパターンなどの画像データを取込み、この画像データの処理により、ウエハが検査されるのである。
【０００６】
そして、試料室内でウエハが検査されている間、空になった予備排気室をエアリークして大気圧に戻し、未検査ウエハ(次に検査すべきウエハ)を中に搬送し、再び真空排気を行い、検査終了後、予備排気室内で、検査済ウエハと、未検査ウエハが入れ換えられ、この未検査ウエハはウエハ搬送ロボットにより試料室内に搬入され、検査済みウエハは搬出されウエハカセットに戻される。
【０００７】
ところで、このようなＳＥＭでは、予備排気室の真空排気時とエアリーク時の圧力差により応力変化か与えられ、予備排気室の壁面に変形が現われてしまうのが避けられない。
ここで、この予備排気室は試料室に取付けられており、従って、それが変形したとすると、試料室にも影響を及ぼしてしまい、この結果、特に電子顕微鏡の鏡筒を支えている試料室天板に変形を与えてしまう虞れがある。
【０００８】
このため、従来技術によるＳＥＭでは、ウエハの検査中に予備排気室の真空排気とエアリークを行うと、ウエハ面の電子線による照射位置が予定している測定点からずれ、観察画面の中のウエハ像が、例えば１００〜２００ｎｍ／１０ｓ程度の微小な割合ではあるが、圧力変化と共にずれていってしまう。
【０００９】
このことは、特に微細パターンの寸法を検査する測長用走査形電子顕微鏡(測長ＳＥＭ)の場合、画像の取込みに数秒間を要することから、検査精度低下の大きな原因になってしまう。
また、画像取込中でなくても、位置決め後にウエハ像が移動すると、隣接している別のパターンを検査してしまうという誤検査が生じてしまう。
【００１０】
そこで、例えば特開平３−１５６８４９３号公報に記載の従来技術では、予備排気室の排気処理時とエアリーク処理時には電子線の走査を停止し、且つ、位置決め後、測長スキャン終了までは、予備排気室の排気とエアリークを行わないようにしている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、スキャニングを停止している時間と、予備排気室の排気とリークの停止に伴う時間が無駄時間になっている点について配慮がされておらず、スループットの低下に問題があった。
ここで、このスループットの低下が、生産性向上妨げに他ならないことは言を要しない。
【００１２】
ここで、いま、例えば、１時間当り４５枚(１枚当り８０秒)のウエハが検査可能な測長ＳＥＭにおいて、無駄時間が５秒あったとすると、この無駄時間の存在により１時間当りの測定枚数は４１枚に低下してしまう。
本発明の目的は、これらの問題点を解決し、予備排気室の真空排気時とエアリーク時でのスキャニング停止が不要で、スループットの低下が確実に抑えられるようにしたＳＥＭを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、側部に予備排気室を有する試料室の上部に、鏡筒が直立して備えられている走査形電子顕微鏡において、前記試料室を傾斜させる駆動手段を設け、前記試料室の変形に伴う試料面での電子ビームの照射位置のずれが、前記駆動手段による前記試料室の傾斜の制御により補正されるようにようにして達成される。
このとき、前記駆動手段は、予備排気室が内部の圧力変化により変形して前記試料室に変形が現われたとき制御されるようにしてもよい。
【００１４】
更に、このとき、前記駆動手段は、前記試料室と当該試料室を支持するベースの間に、前記鏡筒の中心軸に対してほぼ等角度で、ほぼ等距離離れて配置されている少なくとも３個の圧電素子で構成してもよく、前記試料室と当該試料室を支持するベースの間に、前記鏡筒の中心軸に対してほぼ等角度で、ほぼ等距離離れて配置されている少なくとも３個のモータ駆動形くさび式移動機構で構成してもよい。
【００１５】
また、このとき、前記駆動手段を制御する制御手段を設け、
該制御手段は、予め前記該試料室の変形量と時間の関係を把握し、前記駆動手段の操作量を決定して当該駆動手段を制御するようにしてもよい。
更に、このとき、前記駆動手段を制御する制御手段と、前記試料室の変形を検出する歪み検出手段とを設け、前記制御手段は、予め前記歪み検出手段により測定された歪み量と時間の関係から前記駆動手段の操作量を算出し、前記駆動手段を制御するようにしてもよい。
【００１６】
また、ここで、前記駆動手段を制御する制御手段と、前記試料室の天板に取付けた傾斜検出手段とを設け、前記制御手段は、予め前記傾斜検出手段により測定された傾斜量と時間の関係から前記駆動手段の操作量を算出し、前記駆動手段を制御するようにしてもよく、前記駆動手段を制御する制御手段と、前記予備排気室に取付けた圧力検出手段とを設け、前記制御手段は、予め前記圧力検出手段により測定された圧力量と時間の関係から前記駆動手段の操作量を算出し、前記駆動手段を制御するようにしてもよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるＳＥＭ(走査形電子顕微鏡)について、図示の実施の形態により詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態で、図において、主要な構成部材は、試料室１と鏡筒２、予備排気室３、それに圧電素子４であり、これらは、全体としてベース１７の上に載置され、このベース１７が除振器２６を介して据付台６の上に保持されることにより、所定の場所に設置される。
【００１８】
試料室１は、密閉した空間を形成し、内部が高真空に保持できるように排気系９を備え、その天板部には鏡筒２が、そして側壁部には予備排気室３が夫々取付けられており、内部には、試料ステージ１０が設けてある。
【００１９】
まず、鏡筒２は、図示のように、試料室１の上部に直立して取付けられ、内部に連通した底の無い筒状の部材で作られ、内部の頂部近傍に電子源となるフィラメント５を備え、これから発生された電子ビームＥＢを偏向、集束させ、試料台１１に載置されているウエハなどの試料７の表面の所定の領域に照射させることができるように構成されている。
【００２０】
そして、この電子ビームＥＢの照射によって試料７から発生される電子、つまり二次電子ＳＢを二次電子検出器８で検出し、この二次電子検出器８により検出された二次電子信号に基づいて、図示されてない像表示装置に試料７の表面の拡大像が表示されるようになっている。
また、この鏡筒２にも排気系２７が設けてあり、試料室１と共に、内部が高真空に維持できるようになっている。
【００２１】
このとき、試料室１内にある試料ステージ１０は、電子ビームＥＢの中心軸に対して垂直な面内、すなわち水平面内で任意の方位に任意量だけ移動できるように構成してある。
従って、この試料ステージ１０の上にウエハなどの試料７を載せた試料台１１が載置されることにより、観察時と検査時、試料７を水平面内の任意の位置に動かし、測定に必要な所定の場所に位置決めできるようになっている。
【００２２】
予備排気室３は、試料室１内に出入用の扉となるバルブ１２により連通されるようにして、試料室１の側壁部に取付られた上で、排気系１３とリークバルブ１６が設けてあり、これより高真空にされたり、大気圧に戻したりできるように構成してある。
【００２３】
そして、この予備排気室３の中には、次に検査される試料１５が、試料台１４の上に載置された状態で搬入され、既に試料室１に搬入されていた試料７の観察検査が終了した後、バルブ１２を開くことにより、試料７が試料台１１ごと、試料１５と交換される。
【００２４】
ここで、予備排気室３内に外部から試料１４を搬入する際は、リークバルブ１６により、予備排気室３内をエアリークして大気圧に戻し、試料室１の間のバルブ１２を開く際には、予備排気室３内は真空にしておく。
ところで、ここまで説明した構成は、従来のＳＥＭでも同じであるが、この実施形態では、更に試料室１とベース１７の間に、複数個の圧電素子４が設けてある。
【００２５】
ここで、これらの圧電素子４は、制御装置１８から供給される制御信号により伸縮動作するアクチュエータとして働くもので、試料室１とベース１７の間に、鏡筒２の中心軸に対してほぼ等角度で、ほぼ等距離離れて少なくとも３個、配置され、個々に伸縮制御されることにより、試料室１をベース１７に対して任意の方向に傾斜させられるようになっている。
【００２６】
次に、図２は、予備排気室３内が真空排気された際に生じる各部の変形の様子を示したもので、ここでは、一例として、予備排気室３の変形に伴い、試料室１の天板部が主に変形し、図示のように、鏡筒２が、図の右側に傾斜してしまった場合が示されている。なお、この変形や傾斜の程度は、実際には極めて微小であるため、図では誇張して描いてある。
【００２７】
このように、鏡筒２が傾いてしまうと、電子ビームＥＢの照射位置が元の位置からずれてしまうが、このずれは、画像表示面の中で、試料７の像が移動してしまうことを意味し、このままでは、従来技術の場合と同じく、検査精度の低下や誤検査の虞れが生じてしまう。
【００２８】
しかし、この図２の状態になったときでも、この実施形態によれば、制御装置１８により圧電素子４が制御され、この結果、図３に示すように、鏡筒２が傾いてしまったにもかかわらず、電子ビームＥＢの照射位置の変化を抑え、試料７の面ではずれが発生してない状態にすることができる。
【００２９】
ここで、この図３は、圧電素子４の高さを個別に制御して試料室１を所定の方向に所定の角度だけ傾けた結果、鏡筒２が破線で示す状態から実線で示す位置に倒され、電子ビームＥＢの照射位置が修正された状況が示されている。
なお、この図３も、図２と同様に、変形の様子は誇張して描かれている。
【００３０】
すなわち、この実施形態では、予備排気室３が変形して鏡筒２が傾斜した際、複数個ある圧電素子４の高さを個別に制御して、鏡筒２に現われた傾斜と反対方向に試料室１を傾け、これにより、図３に矢印Ｇで示したように、鏡筒２の頂部に重力モーメントが働くようにし、この結果、試料７の面では、電子ビームＥＢの照射位置が変化しないように、反対方向に鏡筒２が倒されるようにしたものである。
【００３１】
次に、このときの制御装置１８による圧電素子４の制御について、具体的に説明する。なお、図では２次元の断面でしか表わせないので、２個の圧電素子４による動作につて説明することにする。
【００３２】
まず、予備排気室３内が排気系１３により排気されてゆくとき現われる像のずれ量を、排気が開始されたときから所定の真空度に達して排気が停止されるまでの時間経過に対応して測定し、そのときどきで、その像のずれを補償し、試料７の面では電子ビームＥＢの照射位置が変化しないようにするのに必要な圧電素子４の制御電圧を時間の関数として記憶し、例えばテーブル化しておく。
【００３３】
また、予備排気室３内がリークバルブ１６によりエアリークされてゆくとき現われる像のずれ量についても、同様に、所定の真空度から大気圧に平衡するまでの時間経過に対応して測定し、そのときどきで、その像のずれを補償し、試料７の面では電子ビームＥＢの照射位置が変化しないようにするのに必要な圧電素子４の制御電圧を時間の関数として記憶し、同じくテーブル化しておく。
【００３４】
そして、制御装置１８は、予備排気室３の排気処理時とエアリーク処理時、夫々上記テーブル化してあるデータを参照し、時間経過に従って各圧電素子４に供給すべき制御信号(電圧)を生成するように構成してあり、この制御信号が各圧電素子４に供給されるようになっている。
【００３５】
この結果、予備排気室３の排気処理とエアリーク処理に際して、鏡筒２に現われる傾きにより試料７面における電子ビームＥＢの照射位置が変化してしまうのが補正されることになり、従って、この実施形態によれば、検査観察処理と並行して、排気処理とエアリーク処理を実行しても、検査精度が低下したり、誤検査が発生したりするのを確実に抑えることができる。
【００３６】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。
まず、図４は、試料室１をベース１７に対して傾けるためのアクチュエータとして、モータ１９と送りネジ２０を使用した直線移動機構と、この直線移動機構により駆動されるくさび式移動機構２２を用いた本発明の一実施形態で、送りネジ２０のナット２１によりくさび式移動機構２２の下側にある楔(くさび)体を水平方向に動かし、上側にある楔体を上下に移動させ、試料室１を傾斜させるように構成したもので、その他の構成は、図１で説明した実施形態と同じである。
【００３７】
この実施形態の場合、モータ１９としては、例えばパルスモータを用いればよく、制御装置１８は、送りネジ２０の回転角位置と、くさび式移動機構２２による上下移動位置の関係から、上記のテーブル化されたデータを参照してモータ１９を制御する。
従って、この実施形態によっても、検査観察処理と並行して排気処理とエアリーク処理を実行することができ、この場合にも、検査精度が低下したり、誤検査が発生したりするのを確実に抑えることができる。
【００３８】
次に、図５も本発明の一実施形態で、これは、試料室１の天板に歪み検出器２３を設け、これにより、試料室１に現われる変形量を測定し、測定結果を制御装置１８に供給して、圧電素子４の操作量の制御に反映させるというフィードバック制御構成にしたもので、その他の構成は、図１の実施形態と同じである。
【００３９】
この図５の実施形態の場合、予備排気室３内の排気とエアリークによる試料室１の変形量と、試料７の面での電子ビームＥＢの照射位置の変化を予めテーブル化しておき、予備排気室３内の排気処理時とエアリーク処理時、歪み検出器１９により試料室１の変形量を時々刻々測定し、この変化量からテーブルを参照し、圧電素子４を制御する。
【００４０】
従って、この図５の実施形態によっても、検査観察処理と並行して排気処理とエアリーク処理を実行することができ、この場合にも、検査精度が低下したり、誤検査が発生したりするのを確実に抑えることができる上、フィードバック制御されるので、再現性のない電子ビームＥＢのシフトにも対応可能である。
【００４１】
次に、図６も本発明の一実施形態で、この実施形態は、図５の実施形態における歪み検出器２３に代えて電子水準器２４を用い、この電子水準器２４により試料室１の天板に現われる傾斜角度を検出し、その変形量を測定するようにしたもので、その他の構成は、図５の実施形態と同じであり、従って、検査観察処理と並行して排気処理とエアリーク処理を実行することができ、この場合にも、検査精度が低下したり、誤検査が発生したりするのを確実に抑えることができる上、フィードバック制御されるので、再現性のない電子ビームＥＢのシフトにも対応可能な点も、やはり同じである。
【００４２】
次に、図７も本発明の一実施形態で、予備排気室３に圧力計２５を取付け、内部の圧力を測定することにより、試料室１の天板に現われる変形量を推定するようにしたものである。
ここで、試料室１の天板の変形量は予備排気室３の変形量に依存し、予備排気室３の変形量は、その内部の圧力に依存するから、圧力計２５による圧力測定値から試料室１の天板の変形量が演算できる。
【００４３】
従って、この図７の実施形態によっても、検査観察処理と並行して排気処理とエアリーク処理を実行することができ、この場合にも、検査精度が低下したり、誤検査が発生したりするのを確実に抑えることができる上、フィードバック制御されるので、再現性のない電子ビームＥＢのシフトにも対応可能な点も、図５や図６の実施形態と同じである。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、試料室の変形による電子ビームの試料面での照射位置の変化が抑えられるので、予備排気室の排気処理とエアリーク処理に伴う精度低下の虞れを無くすことができる。
従って、本発明によれば、予備排気室の排気とエアリークが、検査観察処理と並行して行うことができ、この結果、検査観察処理の停止に伴う無駄時間がなくなり、電子顕微鏡のスループットを大きく向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による走査形電子顕微鏡の第１の実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態における試料室の変形状況の説明図である。
【図３】本発明の一実施形態における補正動作の説明図である。
【図４】本発明による走査形電子顕微鏡の第２の実施形態を示す断面図である。
【図５】本発明による走査形電子顕微鏡の第３の実施形態を示す断面図である。
【図６】本発明による走査形電子顕微鏡の第４の実施形態を示す断面図である。
【図７】本発明による走査形電子顕微鏡の第５の実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１  試料室
２  鏡筒
３  予備排気室
４  圧電素子
５  フィラメント
６  据付台
７  試料
８  二次電子検出器
９  排気系
１０  試料ステージ
１１  試料台
１２  バルブ
１３  排気系
１４  試料台
１５  試料、
１６  リークバルブ
１７  ベース
１８  制御装置
１９  モータ
２０  送りネジ
２１  ナット
２２  くさび式移動機構
２３  歪み検出器
２４  電子水準器
２５  圧力計
２６  除振器
２７  排気系
ＥＢ  電子ビーム
ＳＢ  二次電子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003713450.tif 000008