走査電子顕微鏡

【課題】試料内複数点の測定時に生じる像ドリフトを低減する。
【解決手段】測長画像の取得後に測長画像取得より低倍走査での電子ビーム照射により除電を行う。その際に、走査領域が２０μｍ角以上、２００μｍ角以下の倍率に設定される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
電子ビームを用いた検査・計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子ビームを用いた試料の観察・検査・計測に用いられる走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）は、電子源から放出された電子を加速し、静電または電磁レンズによって試料表面上に収束させて照射する。これを１次電子という。１次電子の入射によって試料からは２次電子や反射電子が発生する。これら２次電子や反射電子を、電子ビームを偏向して走査しながら検出することで、試料上の微細パターンや組成分布の走査画像を得ることができる。
【０００３】
絶縁体を含む試料に電子ビームを照射すると絶縁体が帯電し、１次電子や２次電子の軌道に影響を与える。このために、得られる画像の明るさやコントラストが変化してしまうことになる。こうした現象に対処するために、特開２００７−２８５９６６や特表２００１−５０８５９２では画像取得の前や後に低倍走査で電子ビームを照射することで帯電を制御する方法が述べられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２８５９６６号公報
【特許文献２】特表２００１−５０８５９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、インプリント用マスクや回折光学素子などの絶縁体基板では、帯電の影響が特に出やすく、画像の明るさやコントラスト変化以外の現象も顕著になってくる。具体的には、ある測定点で画像を取得した後に、次の測定点に移動して画像を取得しようとすると、前の測定点での試料の帯電が次の測定点での画像取得中の像ドリフトを引き起こす現象が観測されている。その結果として、取得画像の解像度は大きく低下し、例えば測長用走査電子顕微鏡では正しいパターン寸法を計測することができなくなる。上記従来技術はこの問題に対する解答を示しておらず、また、解答を考察するための帯電制御の具体的な条件も提示されていない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するには、測長画像の取得と次の位置での画像取得の間に、測長画像取得より低倍走査での電子ビーム照射を行い、この時の低倍走査での照射時の走査倍率が、走査領域２０μｍ角以上、２００μｍ角以下相当であることが有効である。
【０００７】
また、走査倍率以外の条件が過剰な正帯電化を抑える方向に設定されることから低倍走査中に試料対向電極電圧とビームサイズと照射加速電圧の最低１つ以上の条件を変えることが効果的である。更に、低倍走査照射中に取得した２次電子信号や反射電子信号をモニターすることで、低倍走査照射時間の制御を行うことが良い。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の効果は画像取得の際に発生した帯電を低倍走査の電子ビーム照射で除電出来ることにある。結果として、絶縁体試料面内での複数点測長を安定して行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施例１に係る装置概要図である。
【図２】本発明の実施例１に係る測長手順の説明図である。
【図３Ａ】従来の帯電現象を説明するための図である。
【図３Ｂ】本発明の実施例１に係る帯電現象を説明するための図である。
【図４Ａ】本発明の実施例１に係る走査領域とドリフト低減効率の関係を示す図である。
【図４Ｂ】本発明の実施例１に係る走査倍率とドリフト低減効率の関係を示す図である。
【図５Ａ】本発明の実施例２に係る低倍走査条件を示す図である。
【図５Ｂ】本発明の実施例２に係る低倍走査条件を示す図である。
【図６Ａ】図５Ａの低倍走査条件におけるドリフト量を示す図である。
【図６Ｂ】図５Ｂの低倍走査条件におけるドリフト量を示す図である。
【図７】本発明の実施例２に係る条件指定画面の図である。
【図８】本発明の実施例３に係る測長手順の説明図である。
【図９】本発明の実施例３に係る効果の説明図である。
【図１０】本発明の実施例３に係る条件指定画面の図である。
【図１１】本発明の実施例４に係る測長手順の説明図である。
【図１２】本発明の実施例４に係るもう１つの測長手順の説明図である。
【図１３Ａ】本発明の実施例４に係る条件指定画面の図である。
【図１３Ｂ】本発明の実施例４に係る条件指定画面の図である。
【図１４】本発明の実施例５に係る測長手順の説明図である。
【図１５Ａ】従来の除電効果の説明図である。
【図１５Ｂ】本発明の実施例１に係る除電効果の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１０】
図１に実施例１の装置概要図を示す。電子銃１０１から放出された電子ビーム１０２はコンデンサレンズ１０３、１３０と電磁レンズ１０８により試料１０９上に結像される。本実施例では対物レンズは電磁レンズ１０８と、電磁レンズ１０８と試料１０９間の電場により生じる静電レンズにより、主に構成されている。そして試料１０９から放出される２次電子や反射電子１０４は中間にある検出器１０５により検出される。試料１０９上の電子ビームは走査偏向器１０６により２次元に走査され、装置全体の制御演算部１１８により画像処理して２次元画像を得ることが出来る。２次元画像は表示装置１１９に表示され、記録装置１１７に記録される。また試料１０９の直上には試料対向電極１５０が設置されており、試料１０９表面の電界（電位勾配）を制御している。また、電子銃１０１、第１コンデンサレンズ１０３、第２コンデンサレンズ１３０、走査偏向器１０６、ブースター電極１５２、電磁レンズ１０８、試料対向電極１５０、試料１０９はそれぞれ、電子銃制御部１１１、第１コンデンサレンズ制御部１１２、第２コンデンサレンズ制御部１３１、走査偏向器制御部１１４、ブースター電極制御部１５３、電磁レンズ制御部１１５、試料対向電極制御部１５１、試料電圧制御部１１６により制御される。
【００１１】
図２には本実施例の測長手順を示す。高倍走査、すなわち高い倍率による狭い領域での走査により試料上に形成されたパターンの測長画像を取得した後に、測長画像を取得した領域に低倍走査、すなわち低い倍率による広い領域での走査をすることで除電を行う。次にステージ移動により測長位置を移動し、高倍走査により測長画像を取得する。この手順を繰り返すことで除電しながら試料上の複数点の測長を行う。
【００１２】
なお、測長画像の取得条件は試料へ照射される電子ビームの照射加速電圧が５００Ｖ、電流が８ｐＡ、走査倍率が１００，０００倍、1フレームが４０ｍｓｅｃで加算フレーム数が１６フレームである。照射電子ビームの加速電圧５００Ｖは、電子源に−３，０００Ｖの電圧を印加して試料に−２，５００Ｖの電圧を印加することで実現している。
【００１３】
図３及び図１５を用いて電子ビームの照射による帯電状態の変化を説明する。まず、絶縁体試料に低加速高倍走査で電子ビームを照射すると、照射部（測長画像取得領域２０１）は初め正に帯電するものの、次第に帯電の方向が反転し、最終的には負に帯電する（図３Ａ(ａ)、図１５Ａ(ａ)）。この負帯電を放置したまま次の測長点（測長画像取得領域２０３）に移動して測長画像の取得を始めると、画像取得の際に発生する比較的高速な反射電子により負帯電領域から２次電子が放出される（図３Ａ(ｂ)、図１５Ａ(ｂ)）。これにより負帯電が徐々に緩和し、結果として測長画像取得中に像ドリフトが生じてしまう。その結果、取得画像の解像度は大きく低下し、正しい測長をすることができなくなる。そこで、本実施例では、測長画像取得済みの照射領域の負帯電を除電するために低倍走査での電子ビーム照射を実行している（図３Ｂ(ｂ)、図１５Ｂ(ｂ)）。低倍走査の照射条件は加速電圧が５００Ｖ、電流が８ｐＡ、走査倍率が３，０００倍、照射時間１秒である。低倍走査では、高倍照射と異なり、発生する２次電子により照射領域は正帯電する傾向があり、測長画像取得照射により生じた負帯電を除電する効果がある。この結果、次の測長画像取得の際には前の測長画像取得の影響は軽減されることになる（図３Ｂ(ｃ)、図１５Ｂ(ｃ)）。本実施例では前の測長と次の測長の間に、次の測長ポイントに移動する前にこの低倍走査を実行することにより測長画像取得の際の１０秒間当たりの像ドリフトを３００ｎｍから５０ｎｍ以下へと低減することが出来た。
【００１４】
図４Ａは照射時間あたりのドリフト低減効率と走査領域、図４Ｂはドリフト低減効率と走査倍率の関係を示した図である。低倍走査時の走査倍率は、走査領域が２０μｍ角以上の倍率（本実施例の装置では５，０００倍）から、走査領域が２００μｍ角以下の倍率（本実施例の装置では５００倍）で効果があり、これ以上の高い走査倍率や低い走査倍率での走査では必要な正帯電効果を得ることが出来ないことが分かる。低すぎる走査倍率で効率が低下する理由は、照射する電子ビームの密度が低くなるため、実質的に除電に寄与する電子数が小さくなるためである。
【００１５】
また、高い再現性を得るための測長画像取得時の走査領域は１μｍ角（本実施例の装置では１００,０００倍の倍率）より小さいため、低倍走査の走査倍率は測長画像取得時よりも１桁以上小さいことが望ましい。
【実施例２】
【００１６】
実施例２でも実施例１と同様の装置と測長手順を用いている。ただし、本実施形態では図５に示すように走査倍率以外の低倍走査の照射条件の一部を測長画像取得条件と変化させている。具体的には加速電圧と、試料対向電極電圧と試料電圧との電位差と、照射ビームサイズである。図５Ａに示すように測長画像取得の際は、加速電圧が５００Ｖ、試料対向電極電圧と試料電圧との電位差が０Ｖ、照射ビームサイズが３ｎｍφであるのに対して、図５Ｂに示すように低倍走査の際には加速電圧を３００Ｖ、試料対向電極電圧と試料電圧との電位差を−５０Ｖ、照射ビームサイズを１００ｎｍφとし、加速電圧と、試料対向電極電圧と試料電圧との電位差を低くして、ビームサイズを大きくしている。なお、１００ｎｍφへのビームサイズの変更は焦点位置を変化させることで行っている。焦点変化は頻繁に行うことになるためにヒステリシスのない静電で行うことが望ましい。具体的にはブースター電極の電圧や試料の電圧を変化させて行うことになる。
【００１７】
照射条件を変化させた効果を図６に示す。スループットの観点から低倍走査照射時間を１秒以内に、ドリフト量を３０ｎｍ以下とすることが好ましい。図６Ａは低倍走査時の試料対向電極電圧と試料電圧との電位差と、ビームサイズが測長画像取得時と同じ場合（すなわち図５Ａの条件の場合）、図６Ｂは本実施例（すなわち図５Ｂの条件の場合）の場合である。図６Ａの同じ条件でもドリフトの低減効果は明らかで、照射時間が０．４秒程度で瞬間的にドリフト量がほぼなくなっている。さらに照射時間を延ばすとドリフトは反転するが、２秒後に３０ｎｍ以下に落ち着いている。図６Ａは、精密な時間の制御でドリフト量を０にすることが可能であることを示しているが、除電の速度が速いので精密な時間の制御は容易ではない。制御性を考えるとこの照射条件は好ましくない。
【００１８】
これに対して図６Ｂでは１秒間でドリフト量が３０ｎｍ以下となっており、それ以降もドリフト量が増加する様子は見られない。従って、この条件を用いることで、スループットとドリフト抑制を同時に満足することが可能となる。
【００１９】
加速電圧を下げることは反射電子の放出率を低下させる。２次電子は試料帯電により２次電子が引き戻される現象により実質的な放出率が低下するが、反射電子ではその現象は起こりにくく、放出率が低下しにくい。そのために、加速電圧を下げることは過剰な正帯電化を抑制する方向に効果が現れる。また、試料対向電極電圧と試料電圧の電位差を負にすることは試料から放出された２次電子を試料に戻す効果があり、試料の過剰な正帯電化を抑える効果がある。更に、ビームサイズを大きくすることは、低倍走査でも隣接する走査ビームとの距離が短くなるため、２次電子の実効的な放出率が低下することになり、やはり過剰な正帯電化を抑制する効果がある。この結果、図６Ａでみられた除電の行き過ぎを抑制することが可能となり、安定な除電を実現することが出来る。なお、本実施例では、加速電圧と、試料対向電極電圧と試料電圧との電位差と、照射ビームサイズの３つの条件を変化させたが、それぞれ１つの条件を変化させることでも最終的な帯電を小さくする効果を得ることが出来る。
【００２０】
図７は本実施例での低倍走査での照射の条件を設定する画面３０１である。パラメータとして、走査倍率３０２、加速電圧３０３、試料対向電極電圧３０５、ビームサイズ３０６、照射時間３０７を設定できるようになっている。なお、試料電位（試料電圧）３０４は加速電圧３０３を設定することで自動的に設定される。
【実施例３】
【００２１】
実施例３でも実施例１と同様の装置を用いるが、測長手順は図８に従っている。図８と図２の差は低倍走査での照射が２つに分かれていることである。すなわち本実施例では低倍走査中に照射条件を変更している。図８から分かるように除電時間を短くするとドリフト量を０とするための時間管理が困難となり、安定にドリフト量を０とするためには照射時間が長くなる。そこで本実施例では高速除電と安定除電を両立させるために低倍走査の途中に照射条件を変化させている。具体的には条件１として測長画像取得と同じ条件（加速電圧：５００Ｖ、試料対向電極電圧と試料電圧との電位差：０Ｖ、ビームサイズ：３ｎｍφ）で０.３秒照射し、引き続き、条件２（加速電圧：３００Ｖ、試料対向電極電圧と試料電圧との電位差：−５０Ｖ、ビームサイズ：１００ｎｍφ）で１.０秒照射した。これにより全体で１.３秒の照射で除電が完了し、ドリフト量を１０ｎｍ以下とすることが出来た。全照射時間は実施例２の２／３に短縮されていることになる。図９には横軸を条件２での照射時間とした結果を示す。全照射時間はこれに０.３秒加算した時間となる。
【００２２】
図１０は本実施例での低倍走査での照射の条件を設定する画面を表わした図である。設定画面では２つの条件の設定が可能であり、それぞれ独立に走査倍率４０２、４１２、加速電圧４０３、４１３、試料対向電極電圧４０５、４１５、ビームサイズ４０６、４１６、照射時間の設定が可能となっている。
【００２３】
高速な除電を行なうためには、加速電圧を小さく、試料対向電極電圧と試料電圧との電位差を０から正に、ビームサイズを小さくすることが有効である。
【００２４】
一方、安定な除電を行なうためには、加速電圧を大きく、試料対向電極電圧と試料電圧との電位差を負に、ビームサイズを大きくすることが有効である。
【実施例４】
【００２５】
実施例４の手順を図１１に示す。本実施例では低倍走査での照射の際に発生する２次電子や反射電子を検出することで除電の進行をモニターする。除電が終了したと判断した時に低倍走査での照射を終了し、次の測長位置への移動へと測長手順を進める。これまでの実施例では低倍走査での照射時間で除電を制御してきたが、材料の不均一性などで除電の速度にバラツキが生じる可能性がある。本実施例では除電の進行をモニターすることにより確実に除電を行うことを目指している。
【００２６】
具体的には、得られた２次電子信号や反射電子信号により低倍走査画像を形成する。この画像には測長画像の取得の際に生じた負帯電部分が白い影となって表れる。この負帯電が２次電子を上方に向かって加速するために検出率が増加している。この白い影部は除電の進行に従い消失し、除電が終了したことを知ることができる。この時点で低倍走査を終了することで確実な除電を実行することが出来る。
【００２７】
モニターの利用方法としては、図１２に示すように指定時間の低倍走査終了後、終了直前に取得した２次電子信号や反射電子信号を用いて除電終了の判定を行う方法もある。この時まだ負帯電の信号が残っていれば追加の照射を行えば良い。この方法は時間制御を基本としながらも確実な除電を可能するもので、２次電子信号や反射電子信号を常にモニターする必要がなくなる利点がある。
【００２８】
また、２次電子信号や反射電子信号のモニター方法としても全画像を用いる必要は必ずしもなく、測長画像取得の際の走査領域を含む比較的小さな領域からの信号のみを用いることでモニター感度を上げることも有効である。
【００２９】
図１３は本実施例での低倍走査での照射の条件を設定する画面を表わした図である。図１３Ａは照射時間を図１１の手順を設定している画面で、照射時間を「ＡＵＴＯ」、モニターを「ＯＮ」に設定してあり、照射時間はモニターに従って決まることになる。図１３Ｂは図１２の手順を設定している画面で、照射時間を「０.３」秒に設定してあるが、モニターを「ＯＮ」としているために除電が不十分な場合は追加の照射が行われることになる。また図には示していないが、照射時間を指定して、モニターを「ＯＦＦ」にすると照射時間を固定とすることが出来る。
【実施例５】
【００３０】
実施例５の手順を図１４に示す。本実施例では実施例３と同様に低倍走査中に照射条件を条件１（加速電圧：５００Ｖ、試料対向電極電圧と試料電圧との電位差：０Ｖ、ビームサイズ：３ｎｍφ）から条件２（加速電圧：５００Ｖ、試料対向電極電圧と試料電圧との電位差：−５０Ｖ、ビームサイズ：１００ｎｍφ）へと変更している。低倍走査での照射の際に発生する２次電子や反射電子によるモニターは条件１での照射の際に行い、除電が指定されたレベルまで進行したことを判定して、条件２での照射に移行する。この方法を用いれば最適なタイミングでの条件の変更が可能となる。
【符号の説明】
【００３１】
１０１−電子銃、１０２−電子ビーム、１０３−コンデンサレンズ、１０４−２次電子や反射電子、１０５−検出器、１０６−電磁偏向器、１０８−電磁レンズ、１０９−試料、１１０−ホルダー、１１１−電子銃制御部、１１２−コンデンサレンズ制御部、１１４−走査偏向器制御部、１１５−電磁レンズ制御部、１１６−試料電圧制御部、１１７−記憶装置、１１８−装置全体の制御演算部、１１９−表示装置、１５０−試料対向電極、１５１−試料対向電極制御部、１５２−ブースター電極、１５３−ブースター電極制御部、２０１−測長画像取得領域、２０２−低倍走査照射領域、２０３−次の測長画像取得領域、３０１、４０１，６０１、６１１−照射条件設定画面、３０２、４０２，４１２、６０２、６１２−走査倍率、３０３，４０３，４１３、６０３、６１３−加速電圧、３０４，４０４，４１４、６０４、６１４−試料電圧、３０５，４０５，４１５、６０５、６１５−試料対向電極電圧、３０６，４０６，４１６、６０６、６１６−ビームサイズ、３０７，４０７，４１７、６０７、６１７−照射時間、５０１−電子ビーム、５０２−サイズを変えた電子ビーム、６０８、６１８−モニター、１６０１−入射電子、１６０２−負帯電、１６０３−反射電子、１６０４−２次電子

【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子源から放出された電子ビームを走査する走査偏向器と、試料を設置するステージと、前記電子ビームを走査しながら前記ステージ上に設置した前記試料に照射し、前記試料から発生する２次電子信号や反射電子信号を検出する検出器と、検出した前記２次電子信号や反射電子信号に基づいて画像処理する画像処理部とを備え、パターン寸法を測長する走査電子顕微鏡において、
所定の走査倍率でパターン寸法を測長した後に、次に測長する走査領域に移動する前に、測長時よりも低い走査倍率で、且つ正帯電化が促進される走査倍率範囲で、前記測長した走査領域を含み、それよりも広い走査領域に前記電子ビームを走査しながら照射した後に、次に測長する走査領域に前記ステージを移動するように制御する制御演算部を備えることを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項２】
請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、前記測長時よりも低い走査倍率とは、走査領域が２０μｍ角以上、２００μｍ角以下の倍率範囲であることを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項３】
請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、前記走査倍率範囲以外の電子ビーム照射条件を、正帯電化を抑制する値に設定することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項４】
請求項３に記載の走査電子顕微鏡において、前記試料の直上に前記試料の表面の電界を制御する試料対向電極を備え、
前記走査倍率以外の電子ビーム照射条件は、前記電子ビームの照射加速電圧、前記試料対向電極電圧と試料電圧との電位差、前記電子ビームのビームサイズであり、少なくとも１つ以上の条件を正帯電化を抑制する値に設定することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項５】
請求項４に記載の走査電子顕微鏡において、前記電子ビームの照射加速電圧が、前記測長画像取得時より低いことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項６】
請求項４に記載の走査電子顕微鏡において、前記試料対向電極電圧と試料電圧との電位差が負の値であることを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項７】
請求項４に記載の走査電子顕微鏡において、前記ビームサイズが前記測長画像取得時より大きなことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項８】
請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、所定の走査倍率でパターン寸法を測長した後に、次に測長する走査領域に移動する前に、測長時よりも低い走査倍率で、且つ正帯電化が促進される走査倍率範囲で、前記測長した走査領域を含み、それよりも広い走査領域に前記電子ビームを走査しながら照射中に、前記電子ビームの照射加速電圧、試料対向電極電圧と試料電圧との電位差、前記電子ビームのビームサイズのうち、少なくとも１つ以上の条件を再設定することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項９】
請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、所定の走査倍率でパターン寸法を測長した後に、次に測長する走査領域に移動する前に、測長時よりも低い走査倍率で、且つ正帯電化が促進される走査倍率範囲で、前記測長した走査領域を含み、それよりも広い走査領域に前記電子ビームを照射中に、前記試料から発生する２次電子信号や反射電子信号に基づいて、前記低い走査倍率での前記電子ビームの照射時間を制御することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１０】
請求項９に記載の走査電子顕微鏡において、前記取得した画像をモニターし、測長画像取得時よりも低い走査倍率での前記電子ビームによる照射の全照射時間において制御を行うことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１１】
請求項９に記載の走査電子顕微鏡において、前記取得した画像をモニターし、測長画像取得時よりも低い走査倍率での前記電子ビームによる照射中の照射条件の切り替えまでの照射時間を制御することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１２】
電子源から放出された電子ビームを走査する走査偏向器と、試料を設置するステージと、前記電子ビームを走査しながら前記ステージ上に設置した試料に照射し、前記試料から発生する２次電子信号や反射電子信号を検出する検出器と、検出した前記２次電子信号や反射電子信号に基づいて画像処理する画像処理部とを備え、パターン寸法を測長する走査電子顕微鏡において、
所定の走査倍率でパターン寸法を測長した後に、次に測長する走査領域に移動する前に、測長時よりも１桁以上低い走査倍率で、且つ正帯電化が促進される走査倍率範囲で、前記測長した走査領域を含み、それよりも広い走査領域に前記電子ビームを走査しながら照射した後に、次に測長する走査領域にステージ移動することを特徴とする走査電子顕微鏡。

【図１】