(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子線装置に用いる試料の高さ検出装置であって、
光源と、
前記光源から投光された光束を平行光に整えるコリメートレンズと、
前記平行光を複数の光束に集光する複数段のシリンドリカルレンズと、
前記集光された複数の光束の各々を成形するための複数の開口を有するスリットと、
前記スリットにより成形された各光束を試料面上に結像させる第１結像レンズと、
前記試料面から反射した反射光の光束を結像させる第２結像レンズと、
前記反射光の結像を取得して前記試料面の高さを検出する検出器とを備えた高さ検出装置。
【請求項２】
前記複数の光束の各々の高さ検出範囲が異なるように前記コリメートレンズが構成されていることを特徴とする請求項１に記載の高さ検出装置。
【請求項３】
前記試料面から反射した複数の反射光の光束のうち１つを選択的に前記第２結像レンズに入射させる手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の高さ検出装置。
【請求項４】
荷電粒子線装置において試料の高さを検出する方法であって、
光源から投光された光束をコリメートレンズにより平行光に整え、
前記平行光を複数段のシリンドリカルレンズにより複数の光束に集光し、
前記集光された複数の光束の各々を複数の開口を有するスリットにより成形し、
前記スリットにより成形された各光束を第１結像レンズにより試料面上に結像し、
前記試料面から反射した反射光の光束を第２結像レンズにより結像し、
前記反射光の結像を取得して前記試料面の高さを検出する高さ検出方法。
【請求項５】
前記複数の光束の各々の高さ検出範囲が異なるように前記コリメートレンズが構成されていることを特徴とする請求項４に記載の高さ検出方法。
【請求項６】
前記試料面から反射した複数の反射光の光束のうち１つを選択的に前記第２結像レンズに入射させることを特徴とする請求項４又は５に記載の高さ検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子線装置において試料の高さ検出するための装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
荷電粒子線装置は、半導体ウェハなどに形成された微細回路パターンを検査したり、パターンの線幅などを計測したりするのに利用されている。半導体ウェハなどに形成される微細回路パターンの検査は、被検査パターンと同種の良品パターンとの電子顕微鏡画像を比較することにより行われる。また、微細回路パターンの線幅や穴径などは、走査型電子顕微鏡による測長を行って計測される。これらの検査、計測においては、得られる像の質がその検査結果の信頼性に多大な影響を与える。像質は、電子光学系の偏向や収差などを原因とする画像歪みや、デフォーカスによる解像度の低下などにより劣化する。このような像質の劣化によって、比較検査や測長の性能が低下する。
【０００３】
荷電粒子線装置における性能低下の他の要因は、試料表面の高さを正確に検出できないため、適正な検査画像が得られないことにある。試料表面がそりや撓みなどの原因で全表面にわたって高さが一定とはなっていないにも関わらず、試料の全表面にわたって同じ条件で検査を行ってしまうと、検査箇所により電子線像が変化してしまい、適正な検査画像を得ることはできない。例えば、図４に示すように、試料ウェハ上のそれぞれ高さが異なる領域Ａ，Ｂ，Ｃがある場合に、領域Ａの高さに合わせて試料ウェハ全体を検査すると、領域Ｂ，Ｃについてはデフォーカスした電子線像が取得されてしまう。このような不適正な電子線像では、パターンの線幅や画像のエッジを正確に検出することができない。従来、電子顕微鏡等における焦点合わせは、操作者が電子線像を見ながら対物レンズの制御電流を調節することにより実施しているが、この作業は多くの時間を要するのみならず、電子線で試料表面を何度も走査することとなるため試料へのダメージが大きくなるという問題もある。
【０００４】
【特許文献１】特開昭63-254649号公報
【特許文献２】特開平11-149895号公報
【特許文献３】特開平11-183154号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような問題を解決するために、光学式の高さ検出手段を用いて走査型電子顕微鏡等の焦点合わせを行う方法が提案されている（特許文献１参照）。ところが、この方法では、高さ検出のための光学系を真空装置内に配置するため、その光軸などの調整が困難であり、また、スリット等によって光源から投光される光量が制限されて検出性能が低下するといった問題点があった。光学式で試料の高さを測定する他の技術としては、例えば、光源の後段をスリット化、またはマルチスリット化することが知られている（特許文献２、３参照）。これについても上記同様に、スリットなどによって光源から投光される光量が制限され検出不可になるといった問題点があった。
【０００６】
他にも次のような問題点がある。走査電子顕微鏡に代表される荷電粒子線装置では、まず試料面の高さを各々の持つ機能で計測し、細く集束された荷電粒子線を試料上で走査して試料から所望の情報（例えば試料像）を得る。このような荷電粒子線装置では、年々高分解能化が進むと同時に、試料観察膜の材質、膜種、膜厚が、多種多様化し、試料の高さを計測するための光源、偏光、多重反射、回折などの誤差要因によって、高さの計測を十分正確に行うことができない場合が生じている。特に、試料を乗せた試料ステージが移動中であれば、さらに正確な計測は困難となる。また、収束荷電粒子線を用いた加工装置においても、荷電粒子線の焦点合わせは、加工精度に影響を与えることとなるため、観察用の装置における場合と同様に非常に重要な課題となっている。ここで、収束荷電粒子線を用いた加工装置とは、例えば、電子線式の半導体パターンの露光装置や、ＦＩＢによる回路の修正装置などである。
【０００７】
さらに次のような問題点がある。光学式の高さ検出手段を用いて荷電粒子線装置の試料高さを測定する際には、対物レンズから試料面までの間に一定のワーキングディスタンスを確保する必要がある。ところが、このワーキングディスタンスが大きくなると、試料面の高さ方向の移動量が大きくなり高さ方向の検出範囲外となってしまう場合が生じてしまうという問題点である。高さ検出手段の光学系を荷電粒子線装置に組み込む際には、対物レンズやその他試料面側へ突出する部位があるため、試料面とのワーキングディスタンスの幅が充分に取れず、光源の入射角を大きく取ることによって、ダイナミックレンジを確保している。このため、検出系が大型化し、光路の確保が困難となっていた。さらに、近年では、試料が大型化したため、反りや撓みの大きい試料にとっては、充分な高さ検出範囲を確保することが困難となっている。
【０００８】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、荷電粒子線装置において、十分な光量の試料高さ検出用光を投光することができ、対物レンズと試料面との間に大きなワーキングディスタンスを必要としない光学系を利用した高さ検出装置及び高さ検出方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記解決課題に鑑みて鋭意研究の結果、本発明者は、荷電粒子線装置の試料高さ検出用光学系において、１光源から投光された光束をコリメートレンズにて平行光に整えた後、同方向に集光性を持つ複数段のシリンドリカルレンズによってこの平行光を複数の光束に分配し、分配された各光束を複数の開口を持つスリットの各開口を通過させて試料面に投射するように構成することにより、十分な光量の試料高さ検出用光を投光することができる上に、対物レンズと試料面との間に大きなワーキングディスタンスを確保する必要がなく、安定した試料高さの測定を行うことができることに想到した。
【００１０】
すなわち、本発明は、荷電粒子線装置に用いる試料の高さ検出装置であって、光源と、前記光源から投光された光束を平行光に整えるコリメートレンズと、前記平行光を複数の光束に集光する複数段のシリンドリカルレンズと、前記集光された複数の光束の各々を成形するための複数の開口を有するスリットと、前記スリットにより成形された各光束を試料面上に結像させる第１結像レンズと、前記試料面から反射した反射光の光束を結像させる第２結像レンズと、前記反射光の結像を取得して前記試料面の高さを検出する検出器とを備えた高さ検出装置を提供するものである。
【００１１】
本発明の高さ検出装置において、前記複数の光束の各々の高さ検出範囲が異なるようにコリメートレンズが構成されているのが好ましい。また、前記試料面から反射した複数の反射光の光束のうち１つを選択的に第２結像レンズに入射させる手段をさらに備えているのが好ましい。
【００１２】
また、本発明は、荷電粒子線装置において試料の高さを検出する方法であって、光源から投光された光束をコリメートレンズにより平行光に整え、前記平行光を複数段のシリンドリカルレンズにより複数の光束に集光し、前記集光された複数の光束の各々を複数の開口を有するスリットにより成形し、前記スリットにより成形された各光束を第１結像レンズにより試料面上に結像し、前記試料面から反射した反射光の光束を第２結像レンズにより結像し、前記反射光の結像を取得して前記試料面の高さを検出する高さ検出方法を提供するものである。
【００１３】
本発明の高さ検出方法において、前記複数の光束の各々の高さ検出範囲が異なるようにコリメートレンズが構成されているのが好ましい。また、前記試料面から反射した複数の反射光の光束のうち１つを選択的に第２結像レンズに入射させるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
以上、説明したように、本発明によれば、荷電粒子線装置において、十分な光量の試料高さ検出用光を投光することができ、対物レンズと試料面との間に大きなワーキングディスタンスを必要としない光学系を利用した高さ検出装置及び高さ検出方法が提供される。この高さ検出装置及び高さ検出方法によって取得される高さ情報データは、荷電粒子装置のビームの情報にフィードバックを掛け、焦点を合わせるなどの調整、調節に流用することが多いため、特に観察試料の高さ情報取得範囲において、必要な高さ情報を得ることができる。また、高さ検出光学系のための大きなワーキングディスタンスを必要とせず、且つビーム条件を好適に調整することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の荷電粒子線装置に用いる高さ検出装置及び高さ検出方法を実施するための最良の形態を詳細に説明する。図１〜図３は、本発明の実施の形態を例示する図であり、これらの図において、同一の符号を付した部分は同一物を表わし、基本的な構成及び動作は同様であるものとする。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態である走査電子顕微鏡の全体構成を概略的に示す図である。図１において、走査電子顕微鏡は、陰極１、第一陽極２、第二陽極３、集束レンズ５、対物レンズ７、絞り板８、試料９、二次電子１０、偏向器１１、二次電子検出器１２、二次電子検出器出力信号アンプ１３、制御演算装置２０、高電圧制御電源２１、収束レンズ制御電源２２、対物レンズ制御電源２３、偏向コイル制御電源２４、ステージ制御２５、試料像表示装置２６、入力装置２７、描画像置２８、高さ検出用投光側部位２９、高さ検出用検出側部位３０、高さ検出器信号アンプＺ３１、試料ステージ４１を含んで構成されている。
【００１７】
この走査電子顕微鏡において、陰極１と第一陽極２の間には、制御演算装置２０（制御プロセッサ）で制御される高電圧制御電源２１により電圧が印加され、所定のエミッション電流が陰極１から引き出される。また、陰極１と第二陽極３の間には制御演算装置２０で制御される高電圧制御電源２１により加速電圧が印加されるため、陰極１から放出された電子ビーム４は、加速されて後段のレンズ系に進行する。電子ビーム４は、集束レンズ制御電源２２で制御された集束レンズ５で収束され、絞り板８で電子ビーム４の不要な領域が除去される。その後、電子ビーム４は、対物レンズ制御電源２３で制御された対物レンズ７により試料９に微小スポットとして集束され、偏向コイル１１により試料上を二次元的に走査するよう制御される。偏向器１１の近傍には、電子ビーム４の光軸（偏向を受けない電子ビーム４の軌道）から、電子ビーム４を偏向させるためのイメージシフト偏向器（図示せず）が設けられているものとする。このイメージシフト偏向器を用いて、試料９に対する電子ビーム４の走査位置を変化させることができる。また、対物レンズ７の光軸から電子ビームを偏向させることで、試料９に対する電子ビーム４の照射角度を変化させることができる。偏向器１１の走査信号は、観察倍率に応じて偏向器制御電源２４により制御される。また、試料９は二次元的に移動可能な試料ステージ４１上に固定されている。試料ステージ４１はステージ制御部２５により移動が制御される。
【００１８】
電子ビーム４の照射によって試料９から発生した二次電子１０は二次電子検出器１２により検出され、描画装置２８は検出された二次信号を可視信号に変換して別の平面上に適宜配列するように制御を行うことで、試料像表示装置２６に試料の表面形状に対応した画像を試料像として表示する。また、二次電子検出器１２で検出された信号は、信号アンプ１３で増幅された後、描画装置２８内の画像メモリに蓄積されるようになっている。パターンの寸法測定は、試料像表示装置２６に試料像とともに２本の垂直または水平カーソル線を表示させ、入力装置２７を介してその２本のカーソルをパターンの２箇所のエッジへ設置し、試料像の像倍率と２本のカーソル間距離の情報をもとに制御演算装置２０でパターンの寸法値として測定値を算出する。
【００１９】
入力装置２７はオペレータと制御演算装置２０のインターフェースを行うもので、オペレータはこの入力装置２７を介して上述の各ユニットの制御を行う他に、測定点の指定や寸法測定の指令を行う。なお、制御演算装置２０には図示しない記憶装置が設けられており、得られた測長値や各ユニットに対する制御条件等を記憶できるようになっている。
【００２０】
また、この走査電子顕微鏡は、高さ検出用投光側部位２９、高さ検出用検出側部位３０、信号アンプＺ３１から成る高さ検出部を備えており、この高さ検出部から得られる高さ情報を制御演算装置２０を介して、対物レンズ７へフィードバックし、試料９の高さに合わせ、対物レンズ７の制御電源２３を変更、調節し、焦点合わせを実施することができるようになっている。この高さ検出部の機能及び動作については後述する。
【００２１】
次に、本実施形態の走査電子顕微鏡において、被検査対象物などに形成された微細回路パターンを自動的に検査、計測する方法について説明する。半導体ウェハなどに形成される微細回路パターンの検査では、被検査パターンと被検査パターンと同様のパターンとの比較、若しくは、良品パターンとの比較により実施される場合が多い。荷電粒子線装置を用いた画像（SEM画像）の外観検査場合にもパターンの画像を比較することにより検査が実施される。また、半導体製造装置に於ける製造プロセス条件の決定、モニタに使用されるパターン線幅や穴径を測定する走査形の荷電粒子線装置での測長（SEM測長）に於いても、画像処理による測長の自動化が実施される。同様のパターンの像を比較することで成り立つ比較検査や荷電粒子線による像を利用して線幅や穴径を測定する場合には、得られる像の質が検査結果の信頼性に影響を与えることになる。像質は、電子光学系の偏向や収差などが原因となる画像歪やデフォーカスによる解像度の低下により劣化する。
【００２２】
これら像質の劣化は比較検査、測長性能を低下させることが知られている。被検査試料の高さが一定でない場合、全ての範囲について同じ条件のもとで検査、測定を実施すると、図４に示すように検査個所により像質が変化することになる。その結果、図４（ｂ）を合焦点画像とした場合、図４（ｂ）と領域、試料高さの異なる図４（ｃ）、図４（ｄ）のようなデフォーカスした画像とを比較して検査をしても充分な検査結果を得ることはできないことになる。また、これらの画像ではパターンの幅が変化し、画像のエッジ検出の検査結果が安定して得られないため、パターンの線幅、穴径も安定したものが得られなくなる。
【００２３】
本実施形態の走査電子顕微鏡における高さ検出用投光側部位２９の光学系について、図２を参照しながら説明する。図２（ａ）に示すように、高さ検出用投光側部位２９内では、１つの光源５１から投光された光束をコリメートレンズ５２にて平行光に整えた後に、２段の同方向に集光性を持つシリンドリカルレンズ５３によって上記平行光を２つの光束に分割し、それぞれの分割された光束を２段スリット５４の各々に照射し、光束を整え第１結像レンズ５５にて結像し試料面に照射している。図２（ｂ）に、上記した同方向に集光性を持つシリンドリカルレンズ５３の構成例を示す。本例では、同方向の集光性を持つシリンドリカルレンズを２段の重ねとしているが、同方向の集光性を持つシリンドリカルレンズを３段以上重ねてシリンドリカルレンズ５３を構成することもできる。図２（ｃ）に、上記した２段スリット５４の構成例を示す。実例では、図２（ｂ）に示すシリンドリカルレンズの集光位置に合わせて２つの開口を持つ２段スリットとして構成しているが、シリンドリカルレンズの集光数、位置に合わせて、任意の複数段のスリットを用いることができる。
【００２４】
次に、本実施形態の走査電子顕微鏡において、高さ検出部により試料の高さ検出を行う方法について、図３を参照しながら説明する。図３の各図に示すように、高さ検出部では、光源５１から投光された光束をコリメートレンズ５２にて平行光に整えた後に、２段の同方向に集光性を持つシリンドリカルレンズ５３によって上記平行光を２つの光束に分割し、それぞれの分割された光束を２段スリット５４の各々に照射し、光束を整え第１結像レンズ５５にて結像し試料面５６に照射している。試料面５６からの反射光は、アパーチャ５７を介し、第２結像レンズ５８によって検出センサ５９に結像される。本実施形態では、試料面に対して２つの光束が照射されることを利用して、図３（ａ）,（ｂ）に示すように、試料高さがZ異なる２つの試料高さ位置において、試料高さの検出を行うことができるようになっている。これにより、従来の荷電粒子線装置における高さ検出装置に比べて、必要とするワーキングディスタンスが小さくなる。
【００２５】
尚、本実施形態の走査電子顕微鏡においては、高さ検出部の構成は上記した形態に限られるものではない。例えば、シリンドリカルレンズを３段、４段と変更することも可能である。また、アパーチャ５７などの部品を高さ検出用投光側部位２９内に設置して積極的に光束を制限する構成としてもよい。 また、図示しないが、２つの光束を用いるに際しては、一方の光束の測定範囲を越えたときに、他方の光束が測定範囲となるように調整するのが望ましい。
【００２６】
以上、本発明の荷電粒子線装置に用いる高さ検出装置及び高さ検出方法について、具体的な実施の形態を示して説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。当業者であれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、上記各実施形態又は他の実施形態にかかる発明の構成及び機能に様々な変更・改良を加えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態である走査電子顕微鏡の全体構成を概略的に示す図である。
【図２】図１に示す走査電子顕微鏡における高さ検出用投光側部位の光学系について説明する。
【図３】図１に示す走査電子顕微鏡において、高さ検出部により試料の高さ検出を行う方法について説明する図である。
【図４】高さが一定ではない試料ウェハとそれから得られる電子線像を例示する図である。
【図５】従来の荷電粒子線装置に用いる高さ検出装置及び高さ検出方法の例を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  陰極
２  第一陽極
３  第二陽極
４  電子ビーム
５  集束レンズ
７  対物レンズ
８  絞り板
９  試料
１０  二次電子
１１  偏向器
１２  二次電子検出器
１３  二次電子検出器出力信号アンプ
２０  制御演算装置
２１  高電圧制御電源
２２  収束レンズ制御電源
２３  対物レンズ制御電源
２４  偏向コイル制御電源
２５  ステージ制御
２６  試料像表示装置
２７  入力装置
２８  描画像置
２９  高さ検出用投光側部位
３０  高さ検出用検出側部位
３１  高さ検出器信号アンプＺ
４１  試料ステージ
５１  光源
５２  コリメートレンズ
５３  シリンドリカルレンズ
５４  ２段スリット（２開口スリット）
５５  第１結像レンズ
５６  試料面
５７  アパーチャ
５８  第２結像レンズ
５９  検出センサ
【図１】
0004627731.tif 000002
【図２】
0004627731.tif 000003
【図３】
0004627731.tif 000004
【図４】
0004627731.tif 000005
【図５】
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