JP2007258017A - 荷電粒子線パターン測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】荷電粒子線による微細パターンの計測、検査を高スループットで行うことを可能にするパターン検査技術を提供する。
【解決手段】荷電粒子源と、前記荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを用いて、試料上の所望の観察領域を走査する電子光学系と、前記荷電粒子ビームの走査によって前記試料より２次的に発生する荷電粒子を検出する検出器とを備えた鏡体部８と、前記検出器で得られる前記荷電粒子の強度の情報をもとに、前記試料上に形成されたパターンの形状に関する情報を測定する情報処理手段９ａ、９ｂと、前記試料を前記鏡体部内に導入する試料導入部とを有し、前記試料導入部内にあって前記試料を前記鏡体部８へ搬送する経路上に、イオンを生成し該イオンにより前記試料の除電を行う除電ユニット４と、前記試料面の表面電位を測定するための表面電位測定手段７とを設けたことを特徴とする。
【選択図】図１（ａ）

Description

荷電粒子ビームを用いて、試料（半導体ウエハやレチクル等）表面の微細パターンの形状やその寸法を測定する微細パターン測定技術に関する。

現在、半導体デバイスパターンの寸法測定には測長ＳＥＭ（Critical-Dimension Scanning Electron Microscope、以下ＣＤ−ＳＥＭと略す）を用いるのが主流である。ＣＤ−ＳＥＭの構造は基本的に走査型電子顕微鏡と同じである。まず、加熱型や電界放出型の電子源から放出した電子を加速する。その後、レンズによって電子ビームのビーム径を細くしぼった電子ビームを形成する。その電子ビームを試料（例えば、ウエハやレチクル等）上に２次元的に走査し、発生する２次電子を検出することで、試料上の微細パターンの２次元の走査電子画像を得ることができる。このとき、試料上への１次電子（入射電子）のランディングエネルギーが大きい場合、２次電子の発生効率が１より小さくなるため、試料サンプルがチャージアップしてしまう。したがって、ランディングエネルギーをできるだけ小さくすることが要求される。また、最近新しくプロセス工程に導入される材料の中には、電子ビームに対する耐性が弱いものもあるため、その面でも入射電子の低エネルギー化は必須である。しかし、このことは回路パターンの微細化に伴い要求されるＣＤ−ＳＥＭの高分解能化と相反することである。したがって、電子源から電子が発生した後の加速電圧を高めに設定し、その後、試料に電子が入射する前に、減速電界をかける（リターディング電圧の印加）という機構が設けられている。これによって取得する画像の高分解能化と、試料へのチャージアップの減少を両立することが出来る。

しかし、近年、測定する試料の中に帯電をもつものが現れ始め、試料の帯電やその分布によってＣＤ−ＳＥＭのフォーカスずれや非点収差などを引き起こすことが明らかにされている。原因として、プラズマエッチング処理やレジストの塗布工程が考えられているが、全ての帯電の原因を説明する事は出来ない。いずれにしろ、試料を接地させても残留してしまう固定的な電荷による帯電と考えられている。このような帯電が存在すると、試料に入射する荷電粒子の軌道が変化してしまい、入射電子ビームの収束位置が試料表面からずれてしまい、結果としてフォーカス位置がすれることになり、フォーカス位置を調整するための時間が必要になり、スループットが低下することになる。また、試料上で上記のような帯電量が面内分布を有していたりする場合、試料上で測定する位置が移動するごとに、上記のようなフォーカス調整が必要になる。

これに対し、国際公開ＷＯ２００３/００７３３０号公報では、以下のような技術が開示されている。まず、ウエハが搭載されたウエハカセットから大気中ロボットの搬送アームによってウエハを取り出し、試料交換室に搬送する。この試料交換室にウエハを搬入するときに、ウエハの表面電位をプローブにて測定する。ウエハの帯電は多くの場合、同心円状に帯電している場合が多いので、プローブの表面電位を計測する部位が搬送中にウエハ中心を通る直線上をトレースしていれば、おおよその試料全体の電位分布が把握できることになる。

したがって、微細パターンの測長前に試料の表面電位を上記プローブにてあらかじめ計測し、その値をリターディング電圧にフィードバックをかけることで、フォーカス合わせの補正が可能になる。

国際公開ＷＯ２００３/００７３３０号公報

しかし、事前に推定した試料の表面電位の誤差が大きい場合や、試料の表面電位の面内分布の回転対称性が小さい場合は、リターディング電圧の調整に時間を要することになり、これが装置のスループットを低下させることになる。また、非点収差に関しては、補正されたリターディング電圧を印加するだけでは全く効果は無く、問題が残ったままである。試料上の複数位置を測定するために、ステージが移動するごとに、非点収差の自動調整をする必要があり、これも測定のスループットを低下させる原因となっている。

上述したように従来のＣＤ−ＳＥＭを用いた微細パターン測定方法では、帯電している試料に対してスループットの低下という問題があった。

本発明の目的は、上記課題を解決するためになされたもので、すべての測定点においてスループットが高く、かつ高精度な測定を可能とする荷電粒子線パターン測定技術を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の荷電粒子線パターン測定装置は、下記に示す特徴を有する。

（１）荷電粒子源と、前記荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを用いて、試料上の所望の観察領域を走査する電子光学系と、前記荷電粒子ビームの走査によって前記試料より２次的に発生する荷電粒子を検出する検出器とを備えた鏡体部と、前記検出器で得られる前記荷電粒子の強度の情報をもとに、前記試料上に形成されたパターンの形状に関する情報を測定する情報処理手段と、前記試料を前記鏡体部内に導入する試料導入部とを有し、前記試料導入部内にあって前記試料を前記鏡体部へ搬送する経路上に、イオンを生成し該イオンにより前記試料の除電を行う除電ユニットと、前記試料面の表面電位を測定するための表面電位測定手段とを設けたことを特徴とする。

（２）前記（１）の荷電粒子線パターン測定装置において、前記除電ユニットは、前記試料搬送経路上に設けられた前記試料を載置し回転可能な回転ステージの上方に位置するよう配置されていることを特徴とする。

（３）前記（１）の荷電粒子線パターン測定装置において、前記除電ユニットは、前記回転ステージの試料載置面に対して、前記試料としてのウエハの半径の値以下の位置に配置されていることを特徴とする。

（４）荷電粒子源と、前記荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを用いて、試料上の所望の観察領域を走査する電子光学系と、前記荷電粒子ビームの走査によって前記試料より２次的に発生する荷電粒子を検出する検出器とを備えた鏡体部と、前記検出器で得られる前記荷電粒子の強度の情報をもとに、前記試料上に形成されたパターンの形状に関する情報を測定する情報処理手段と、前記試料を前記鏡体部内に導入する試料導入部とを有し、前記試料導入部内にあって前記試料を前記鏡体部へ搬送する経路上に、前記試料に軟Ｘ線を照射し前記試料の除電を行う軟Ｘ線照射手段と、前記試料面の表面電位を測定するための表面電位測定手段とを設けたことを特徴とする。

（５）前記（４）の荷電粒子線パターン測定装置において、前記軟Ｘ線照射手段は、複数の軟Ｘ線照射装置と、前記試料を載置し回転可能な回転ステージとを有し、前記複数の軟Ｘ線照射装置が前記回転ステージ上方に位置するよう構成したことを特徴とする。

（６）前記（５）の荷電粒子線パターン測定装置において、前記複数の軟Ｘ線照射装置は、前記回転ステージの中心から異なる距離に位置し、前記回転ステージの試料載置面に対して異なる高さの位置に配置されていることを特徴とする。

（７）前記（５）の荷電粒子線パターン測定装置において、前記複数の軟Ｘ線照射装置の中で、前記回転ステージの中心から近い距離にある軟Ｘ線照射装置は、前記回転ステージの中心から遠い距離にある軟Ｘ線照射装置よりも、前記回転ステージの試料載置面に対して高い位置に配置したことを特徴とする。

（８）前記（４）の荷電粒子線パターン測定装置において、前記表面電位測定手段は、少なくとも一つの静電プローブを有し、前記少なくとも一つの静電プローブによる測定結果を用いて前記複数の軟Ｘ線照射装置の照射時間を決定するよう構成したことを特徴とする。

（９）前記（４）の荷電粒子線パターン測定装置において、前記表面電位測定手段は、２個の静電プローブを有し、前記２個の静電プローブの各々は、前記試料導入部内にあって前記試料を前記鏡体部へ搬送する経路上に、前記軟Ｘ線照射手段の前後段に配置されており、前段に位置する前記静電プローブによる測定結果を用いて前記軟Ｘ線照射手段の軟Ｘ線の照射時間を決定し、後段に位置する前記静電プローブによる測定結果を用いて荷電粒子ビームのフォーカスを決定するよう構成されていることを特徴とする。

（１０）荷電粒子源と、前記荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを用いて、ウエハ試料上の所望の観察領域を走査する電子光学系と、前記荷電粒子ビームの走査によって前記試料より２次的に発生する荷電粒子を検出する検出器とを備えた鏡体部と、前記検出器で得られる前記荷電粒子の強度の情報をもとに、前記試料上に形成されたパターンの形状に関する情報を測定する情報処理手段と、前記試料を前記鏡体部内に導入する試料導入部とを有し、前記試料導入部内にあって前記試料を前記鏡体部へ搬送する経路上に、複数の電極に電圧を印加することにより前記試料の除電を行う除電手段と、前記試料面の表面電位を測定するための表面電位測定手段とを設けたことを特徴とする。

（１１）前記（１０）の荷電粒子線パターン測定装置において、前記除電手段は、前記ウエハ試料を載置し回転可能な回転ステージを有し、前記複数の電極を、各電極間の距離が前記試料の半径の長さの位置に配置せしめてなることを特徴とする。

（１２）前記（１１）の荷電粒子線パターン測定装置において、前記複数の電極の中で、前記回転ステージの中心に位置する電極と、前記中心の周囲に位置する電極とに印加する電圧の極性が異なることを特徴とする。

（１３）前記（１０）の荷電粒子線パターン測定装置において、前記表面電位測定手段は、少なくとも一つの静電プローブを有し、前記少なくとも一つの静電プローブによる測定結果を用いて前記複数の電極の印加電圧および電圧印加時間を決定することを特徴とする。

（１４）前記（１０）の荷電粒子線パターン測定装置において、前記表面電位測定手段は、２個の静電プローブを有し、前記２個の静電プローブの各々は、前記試料導入部内にあって前記試料を前記鏡体部へ搬送する経路上に、前記除電手段の前後段に配置されており、前段に位置する前記静電プローブによる測定結果を用いて前記複数の電極の印加電圧および電圧印加時間を決定し、後段に位置する前記静電プローブによる測定結果を用いて荷電粒子ビームのフォーカスを決定するよう構成されていることを特徴とする。

（１５）前記（１０）の荷電粒子線パターン測定装置において、前記試料導入部内にあって、前記試料を前記除電手段と前記表面電位測定手段とに搬送する搬送アーム手段を設けたことを特徴とする。

（１６）前記構成の荷電粒子線パターン測定装置において、前記表面電位測定手段により前記鏡体部への搬送前に測定した前記試料の表面電位の値をリターディング電圧にフィードバックをかけることにより、フォーカス合わせの補正を行うよう構成したことを特徴とする。

（１７）前記構成の荷電粒子線パターン測定装置において、前記除電手段の前記複数の電極を、前記試料面との間隔が前記試料の直径より大きい位置に前記試料に正対して配置せしめてなることを特徴とする。

（１８）前記構成の荷電粒子線パターン測定装置において、前記除電手段によって前記試料の除電がなされている際、前記試料が接地されていること、もしくは試料近傍に接地された導電物が接地されていることを特徴とする。

本発明によれば、荷電粒子線による微細パターンの計測、検査を高スループットで行うことが可能になる。

以下、本発明の実施例を、図面に基づいて詳細に説明する。

（実施例１）
本発明の第１の実施例においては、試料の搬送経路上に、かつ大気中の場所に、軟Ｘ線照射装置を設置することで、帯電した試料の検査に関して、帯電していない試料と同じ精０度、同じスループットの測定が可能になる。

図１（ａ）は、本発明の第１の実施例を示したものであり、電子線を用いた微細パターン測定装置の試料導入部を示したものである。以下、試料として半導体ウエハを例にとって説明する。

ＦＯＵＰ（Front-Opening Unified Pod）やＳＭＩＦ（Front-Opening Unified Pod）中のウエハカセット１内の所定のウエハを検査するコマンドを入力する。大気側ロボットの搬送アーム２によって、所定のウエハが自動的に取り出される。図においては、ロードポート部に、ウエハカセットは２個搭載できるようになっているが、これは同じウエハサイズのカセットにすることも、異なる形状のカセットにすることも可能である。取り出されたウエハは搬送アーム２によって、いったんアライナの回転ステージ３上に搬送される。ここにおいて、ウエハ３ａのノッチ（もしくはオリフラ）位置の検出、ウエハ３ａの中心位置出しが行われる。

本実施例では、この回転ステージ３のすぐ上方に、例えばコロナ放電式の除電器４が回転ステージ３とともに支持体によって支持されている。ここでは、この回転ステージ３と除電器４、そしてそれを支持する支持体とを合わせて、除電ユニットとする。この除電ユニットの除電原理はコロナ放電によって発生したイオンを利用したものであり、電極にかける電圧を所定の周波数で変動させることで、除電のために必要な正イオン負イオンの両方を発生することが出来る（ＡＣパルス式）。かつ、除電器４の電極がその形状と同じように１方向に長い列をなした形で配置されているため、回転ステージ３によってウエハ３ａを回転させて、ウエハ３ａの全面に均一になるようにイオンを供給することができる。除電のＯＮ／ＯＦＦについては、あらかじめＯＮ時間を入力することで、ウエハ搬送と除電を組み合わせて自動運転することができる。

その後、試料交換室５と大気を隔離するゲートバルブ５ａを開け、再び、搬送アーム２にて除電ユニットから試料交換室５内にあるウエハホルダ６上へウエハを搬送する。試料交換室５の導入口手前には静電プローブ７が設置されていて、試料交換室５に搬送されるウエハの表面電位を測定することが可能である。静電プローブとは、表面電位計を構成する一部であり、プローブの先端のセンサ部を所定距離で帯電物に接近させると帯電物の電位を測定することが出来る。また、ウエハ搬送時に、プローブのセンサ部の真下をウエハ中心部が通過するように調整されているので、ウエハ中心を含んだウエハ直径上の帯電電位を測定することができる。したがって、搬送されたウエハの大体の帯電分布を推定することが可能である。次に、試料交換室５中にて、ウエハを搭載したウエハホルダ６が、試料交換室５と鏡体部の真空を隔離するゲートバルブ８ａを経由し、真空に保持され、かつ電子ビームで試料の検査を行う鏡体部の真空試料室８ｂ内の所定位置に搬送する。

図２は、本発明を適用する電子線を用いた測長装置（ＣＤ−ＳＥＭ）の鏡体部を示したものである。試料が、上述したように真空試料室内の所定位置に搬送された後、装置の制御系であるユーザインターフェイス部／情報処理演算部９ａにより自動操作が実行される。真空試料室８ｂ内のウエハホルダ６上に設置されたウエハ１１を観察するため、電子銃６から放出された１次電子線１７ａは、収束レンズ１８ａ、偏向器９、対物レンズ１０を通ってウエハホルダ６上の試料（ウエハ）１１に照射される。ウエハ１１に保持するウエハホルダ６には、ＣＤ−ＳＥＭの電源部/制御回路部９ｂから出力された所定の値のリターディング電圧が印加される。次に、非点補正用コイル１２が制御され、入射ビームの非点補正を行なわれる。

ここで，ウエハ１１が全く帯電していない場合、ウエハ位置４６ａ（図４（ａ））で非点補正をしておけば、ウエハ上の照射位置が４６ｂ（図４（ｃ））に移動しても、その場所であらたに非点補正を行なう必要は無い。しかし、ウエハが帯電している場合、図４（ａ）のようにウエハの中心で非点を補正してビーム形状を回転対称にしたとしても、そのウエハ中心から離れたウエハのエッジ付近の位置では、中心と同じ補正量ではビームを回転対称にすることができない場合がある（図４（ｂ））。この場合は、測定点ごとに非点補正を毎回行う必要がある。１回の非点補正に要する時間は２０秒ほどであり、通常の測定では、ウエハ１枚の測定点が数点〜数十点に及ぶために、スループットの大きな低下をまねくことになる。

そこで、本実施例のように、搭載されている除電器４の除電機能を利用し、上記のスループットの低下を防止することにした。ウエハが回転ステージ上に存在しており、アライナ機能を利用したウエハの位置決め作業が終了したところで、ウエハを所定の回転速度で回転させる。そして、コロナ放電を利用した除電器４のスイッチをＯＮにする。除電時間は１分ほどに設定し、ウエハの１回転あたりに所用時間は除電時間に対し、十分に小さければよい。この除電により、非点補正に影響を与えるウエハ帯電が除電されたことになる。したがって、ウエハ中心と同じ非点補正量を、ウエハ周辺の図４（ｃ）に示すような位置においても与えることにより、入射ビーム形状を円状に絞ることが可能になり、測定点ごとに非点補正を毎回行う必要がなくなった。

次に、帯電ウエハのうち、表面電位計の静電プローブ７（図１（ａ））によって、その帯電電位が測定可能なウエハに対しての改善効果についても説明する。

この場合、ウエハがウエハカセット１から回転ステージ３を経由して試料交換室５に搬送される際に、静電プローブ７により、ウエハ表面の表面電位がモニターされる。その結果を、図４（ｄ）に示す。ここで、ウエハ表面の帯電電位の値からリターディング電圧の補正量を計算し、次に補正したリターディング電圧±２０（Ｖ）の範囲で電圧を振った結果得られるその最適値に、リターディング電圧の値を固定し、更に従来行なわれている対物レンズの電流量調節による調整で、フォーカス位置を最終決定する。その後、該パターンの測長値を求めるまでの手順は、従来と同方法である。この場合、静電プローブ７による電位測定やリターディング電圧の補正量の計算は、ウエハが測定前の待機時間中に行われるために、スループットに影響を与えない。

しかし、リターディング電圧の設定や電圧のスキャンに等の調整に要する時間は、スループットの低下に直接影響を与えることになり、従来、無帯電ウエハが５秒要していた測定点１点あたりの測定時間が８秒に悪化してしまった。このような帯電ウエハについても、搬送の途中、ウエハが回転ステージ３（図１（ａ））上に存在し、アライナ機能を利用したウエハの位置決め作業が終了した後に、ウエハを所定の回転速度で回転させる。そして、コロナ放電を利用した除電器４のスイッチをＯＮにする。除電時間は９０秒に設定し、ウエハの１回転あたりに所用時間は、除電時間に対して十分に小さい値とした。この除電後にウエハが試料交換室５に搬送される際に、静電プローブ７でウエハの除電後の表面電位を測定したところ、図４（ｄ）に示す「除電後」のようなプロファイルの表面電位が得られた。電位の値が＋１５(Ｖ)〜＋１０（Ｖ）に全て入っていて、フォーカス調整は、全て対物レンズの電流値の調整で間に合う。除電後のスループットとして、１点あたりの測定に要する時間は、無帯電のウエハと同様に、５秒であった。

次に、荷電粒子線を用いた微細パターン測定装置における、コロナ放電を利用した除電器の設置の方法について説明する。

従来の除電器のほとんどは、除電器本体の電極で発生した正と負のイオンが、除電物である試料（ウエハ）に到達する前に再結合してしまうと除電速度が小さくなる。したがって、除電器と試料の距離を小さくして除電速度を確保するなどの方法をとる必要がある。ファンなどによる送風をイオン輸送に利用する方法もあるが、半導体ウエハ等を取り扱う場合、パーティクルの付着等による汚染を危惧するために採用されない場合が多い。本発明では、具体的には、図５（ｃ）に図示したように、回転ステージ５８上のウエハ５７に対して、その上方に位置するコロナ放電式の除電器５９に関して、試料であるウエハ裏面と除電器の電極位置との間の距離（ｓ１）の値を、試料であるウエハの半径（ｒ１）の値以下にすることで、除電器で発生したイオンのロスを小さくし、実用的な除電速度を得ることが可能である。

また、表面電位計において表面電位の上限値や下限値をあらかじめ設定し、測定値がその上限下限の範囲（閾値）を外れた場合、アラームを自動的に発生・表示したり、該ウエハを除電ユニットに戻す設定にすることも可能である。その場合、表面電位が上限値、下限値を超えた度合いに応じて、除電ユニットにおける除電時間を制御することも可能である。

本実施例では、上述したように、回転ステージ上にコロナ放電式の除電器４を置いているが、除電器が除電時に供給するイオンがウエハ全面に均等に供給することが可能であれば、ウエハの搬送通路上であればよく、その設置場所は限定されない。

また、本実施例では、コロナ放電を発生する放電方式を「ＡＣパルス式」としているが、他の放電方法であるＤＣ式、ＡＣ式、ＤＣパルス式など、コロナ放電を発生する放電方式の種類によらず、本実施例の適用が可能である。また、Ｘ線やＵＶ光、α線の照射によっても空気分子のイオン化が促進され、帯電物質の除電が進行することが知られている。この原理を利用した除電器、例えば、Ｘ線照射方式の除電器や、ＵＶ光照射方式の除電器、α線方式の除電器が市販されており、これらの除電器についても適用が可能である。そして、本実施例においては、除電が進行するならば除電器によるイオン発生の有無には限定されず、ありとあらゆる種類の除電器が適用可能である。

また、本実施例においては、電子ビームを用いた走査型の測定装置、すなわち走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を例にとって説明しているが、これに限定されることはなく、他のイオンビーム照射装置等の他の荷電粒子線装置にも適用が可能である。また、本実施例は、荷電粒子の１つである二次電子を検出する例について説明したが、これに限定されることはなく、例えば、反射電子、もしくは二次イオン等、他の荷電粒子を検出するようにしても良い。

（実施例２）
本発明の第２の実施例においては、搬送経路上、かつ大気中において軟Ｘ線照射装置を設置することにより、帯電した試料の検査に関しても、帯電していない試料と同じスループットの測定が可能になる。

図１（ｂ）は、本発明の第２の実施例を示したものであり、電子線を用いた微細パターン測定装置の試料導入部を示したものである。以下、試料として半導体ウエハを例にとって説明する。

ＦＯＵＰやＳＭＩＦの中にあるウエハカセット２１から大気側ロボットの搬送アーム２２によってウエハが取り出される。図によると、ウエハカセットは２個搭載できるようになっているが、これは同じウエハサイズのカセットにすることも、異なる形状のカセットにすることも可能である。取り出されたウエハは搬送アーム２２によって、いったん回転ステージ２３に搬送される。回転ステージ２３において、ノッチやオリフラ位置の検出、ウエハの中心位置出しが行われる。

本実施例では、回転ステージの直上には除電手段として軟Ｘ線照射式除電装置２４が配置されている。この点が、図１に示した実施例と異なっている。搬送されてきたウエハが帯電している場合、所定の時間、該除電器を動作させてウエハに軟Ｘ線を照射する。軟Ｘ線の第１の作用は、軟Ｘ線の照射経路にある大気中の空気分子を励起し正負のイオンを発生させることにある。したがって、ウエハ近傍で発生した正負イオンのうち、ウエハに帯電している逆極性のイオンが静電誘導によってウエハ表面に供給され、帯電したウエハが除電される。そのため、空気の密度が非常に小さい真空中では、軟Ｘ線照射による除電効果は期待できない。軟Ｘ線のもう１つの作用は、試料膜中の電子を励起することにより、膜中の帯電を除去することにある。

回転ステージ２３でウエハの位置合わせと必要に応じて除電を行った後、試料交換室５大気を隔離するゲートバルブ５ａを開け、再び、搬送アーム２にて試料交換室５にあるウエハホルダ６上へウエハを搬送する。試料交換室５の導入口手前には静電プローブ７が設置されていて、試料交換室５に搬送されるウエハの表面電位を測定することができる。ウエハ搬送時に、プローブのセンサ部の真下をウエハ中心部が通過するように調整されているので、ウエハ中心を含んだウエハ直径上の帯電電位を測定することができる。したがって、搬送されたウエハの大体の帯電分布を推定することができる。次に、試料交換室５中にて、ウエハを搭載したウエハホルダ６が、試料交換室５と鏡体部の真空を隔離するゲートバルブ８ａを経由し、真空に保持され、かつ電子ビームで試料の検査を行う鏡体部の真空試料室８ｂ内の所定位置に搬送する。この後、所定のパターンの測長値を求めるまでの方法は、本発明の第１の実施例の場合と同様である。

ここで、測定するウエハが、図４（ｅ）のようにウエハ全面で帯電が発生していて、かつ帯電量が不均一な場合がある。したがって、ウエハ上の異なる複数箇所で測定を行う場合、測定点ごとに、帯電量が数十（ボルト）異なっているため焦点距離のリターディング電圧の粗調整を測定点ごとに毎回行う必要がある。通常の測定では、ウエハ１枚に対し、測定点が数点〜数十点におよんでおり、スループットの低下をまねくことになる。ここで、本実施例の場合、回転ステージ３上に軟Ｘ線照射式除電器２４が設置されており、帯電したウエハが回転ステージ上に来た状態で、ウエハを回転しながら除電をしたところ、ウエハの帯電量が、図４（ｆ）に示すようにウエハ全面で均一な値になった。したがって、ウエハ上の異なる複数箇所で測定を行う場合でも、測定点ごとに、焦点距離の粗調整を毎回行う必要がなく、スループットの低下を最小限に防ぐことが出来た。

次に、この電子線を用いた微細パターン測定装置における、軟Ｘ線照射式除電装置の設置方法について説明する。

従来の軟Ｘ線照射式除電装置のほとんどは、ある１点から軟Ｘ線が放射される形の点光源である。そしてウエハの中心位置の直上に１台の軟Ｘ線照射装置が正対する配置（図５（ａ））の場合、ウエハ表面に到達する軟Ｘ線の強度はウエハの中心で大きく、ウエハのエッジ付近で小さいという分布をもつ。したがって、任意の軟Ｘ線強度分布をウエハ上で実現するためには、複数の軟Ｘ線照射装置と１つ以上の回転ステージを有し、軟Ｘ線照射装置の試料に対する軟Ｘ線照射装置の高さあるいは回転軸に対する軟Ｘ線照射装置の距離、もしくはその両者が異なっている必要がある。

最も単純な分布を想定すると、ウエハの帯電がウエハ面内でほぼ等しい場合である。軟Ｘ線照射式除電装置２台でウエハ全面に均一な除電を行うことを想定すると、図５（ｂ）に示すように、回転ステージの回転中心５５からの水平方向により遠い軟Ｘ線照射式除電装置５４ｂを、試料載置面５３ａに垂直な方向により近く配置することで実現可能である。これは、ウエハ５３の水平方向に関して中心位置により近い場所に位置する軟Ｘ線照射式除電装置５４ａは、発生する全エネルギーのうちウエハに照射可能なエネルギーの割合が大きいため、もう一方の軟Ｘ線照射式除電装置５４ｂに比べて、ウエハとの距離を大きくとらないと、ウエハ全面で軟Ｘ線の強度が均一になる方向に向かわないからである。

本実施例では、具体的には、試料であるウエハの直径をｄとし、軟Ｘ線照射式除電装置５４ａの試料載置面５３ａに対する垂直方向位置をｈ１、回転中心５５に対する水平方向位置をｄ１とし、軟Ｘ線照射式除電装置５４ｂの垂直方向位置をｈ２、水平方向位置をｄ２とすると、図５（ｂ）に図示したように、（ｈ１、ｄ１、ｈ２、ｄ２）＝（ｄ／５、ｄ／４、ｄ／１０、ｄ／２）の配置にすることでイオンを均一に試料に供給することができ、ウエハ全体で均一な除電を行うことができる。

上記の実施例の他にも、回転ステージ上の軟Ｘ線照射式除電装置による除電の前の段階で、試料の表面電位を測定することが出来れば、その結果をフィードバックして軟Ｘ線照射装置の照射時間もしくは複数個の軟Ｘ線照射装置の照射時間を個別に決定することが可能であり、除電によるスループットの低下を最小限にすることができる。具体的には、図３のように、ウエハカセット１とウエハの位置決め機能を有する回転ステージ３の間に表面電位計の第２の静電プローブ３９を設置すれば、該静電プローブで測定したウエハの帯電量や帯電分布をモニターした結果を除電に関するパラメータ設定にフィードバックすることが出来る。フィードバックの結果、必要十分な除電時間を予測することができ、このことによっても従来より、本実施例はスループットを向上させることができる。また、この除電を実施した後、試料交換室５へウエハが搬送され、その間に第１の静電プローブ７によって除電後のウエハの表面電位を測定することが可能である。この測定結果を、微細パターン測長時のリターディング電圧設定にフィードバックするようにしても良い。

また、図３に図示した実施例では、第１の静電プローブ７、第２の静電プローブ３９の２個が図示されているが、回転ステージ３の直上に静電プローブを１個設置され、かつ該静電プローブが軟Ｘ線照射式の除電時に退避可能な機構を有していれば、除電前後のウエハの表面電位をモニターできるため、静電プローブの個数が１個で十分なことはいうまでもない。

また、上記ではウエハの帯電がウエハ面内で均一であるとしていたが、逆に不均一な分布をしている場合であっても、第２の静電プローブ３９でモニターした結果に基づき、複数の除電装置の除電時間を制御することで、適切に除電をすることができる。例えば、図１０（ｂ）に示すように、中心付近のみに偏在して帯電が発生しているようなウエハの場合は、図１０（ａ）に示すように、ウエハ中心付近の軟Ｘ線照射式除電装置の照射時間を多くし、ウエハのエッジ付近に設置した軟Ｘ線照射式除電装置の照射時間を短くすればよい。これによって不必要な照射を行わないことによるエネルギの削減や軟Ｘ線照射式除電装置の消耗品費用の低減が実現され、軟Ｘ線照射式除電装置についての年間コストを２０％削減することができた。

本実施例においては、電子ビームを用いた走査型の測長装置、すなわち走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を例にとって説明しているが、これに限定されることはなく、他のイオンビーム照射装置等の他の荷電粒子線装置にも適用が可能である。また、本実施例は、荷電粒子の１つである二次電子を検出する例を説明するが、これに限定されることはなく、例えば、反射電子、もしくは二次イオン等、他の荷電粒子を検出するようにしても良い。

（実施例３）
本発明の第３の実施例においては、試料の搬送経路上に１個以上の電極を配置することにより、帯電した試料の測長に関しても、無帯電の試料と同等のスループットな測長処理が可能になる。

図６は、本発明の第３の実施例を示したものであり、電子線を用いた測長装置の試料導入部を示したものである。以下、試料として半導体ウエハを例にとって説明する。

第２の実施例の場合と同様に、ＦＯＵＰやＳＭＩＦの中で保管されているウエハカセット１から大気側ロボットの搬送アーム２によってウエハが取り出される。取り出されたウエハは、いったん回転ステージ３に搬送アーム２にて搬送される。

本実施例では、回転ステージ３の直上に除電手段として複数個の電極６４が配置されており、搬送されてきたウエハが帯電している場合、所定の時間、数ｋＶオーダーの高電圧を放電することなく印加した複数個の電極を、帯電したウエハに正対させることで、帯電ウエハの除電を行う。この除電方法は、電気力線放射式除電法と呼ばれている（参照文献：特開２００１−１４８２９７号公報）。基本的に、除電したい試料が負に帯電している場合は、電極の極性を正にして試料に電極を正対させる。試料の帯電が正の場合は、試料に正対させる電極の極性は負にすればよい。

回転ステージ２３でウエハの位置合わせと必要に応じて除電を行った後、試料交換室５大気を隔離するゲートバルブ５ａを開け、再び、搬送アーム２にて試料交換室５にあるウエハホルダ６上へウエハを搬送する。試料交換室５の導入口手前には静電プローブ７が設置されていて、試料交換室５に搬送されるウエハの表面電位を測定することができる。ウエハ搬送時に、プローブのセンサ部の真下をウエハ中心部が通過するように調整されているので、ウエハ中心を含んだウエハ直径上の帯電電位を測定することができる。したがって、搬送されたウエハの大体の帯電分布を推定することができる。次に、試料交換室５中にて、ウエハを搭載したウエハホルダ６が、試料交換室５と鏡体部の真空を隔離するゲートバルブ８ａを経由し、真空に保持され、かつ電子ビームで試料の検査を行う鏡体の直下の真空試料室８ｂ内の所定位置に搬送する。この後、鏡体に搬送されたウエハに対して、電子銃から放出された１次電子線が収束レンズ、偏向器、対物レンズを経由して照射され、所定のパターンの測長値を求めるまでの方法は、本発明の第１の実施例の場合と同様である。

ここで、従来の場合のように高電圧印加が可能な複数個数の電極が搭載されていない場合で、試料ウエハが帯電していて、かつウエハ中心位置に対し回転非対称な帯電分布を有している場合、実施例１で前出しているウエハの表面電位（帯電量）の推定方法が回転対称を前提としているために、その推定誤差が大きくなる。したがって、リターディング電圧の調整に時間を要することでスループットが低下してしまう。しかし、本実施例では、除電機能を有する電極を複数個装置内に有しているので、ウエハの帯電を除電することが出来る。したがって、リターディング電圧の調整をする必要がなく、帯電したウエハでも非帯電ウエハと同様のスループットを確保することが出来る。

この数ｋＶの高電圧を放電せずに印加が可能な電極を複数個用いた、電気力線放射式の除電機能を有する電子線を用いた微細パターン測長装置の、該電極の電極間距離の設定について説明する。

電極間の距離は、円形の試料に対して半径程度の長さに設定することが適当である。その理由は、試料の直上に全ての電極が位置しているため、投入した電力を効率的に除電に利用することが出来ること、逆に電極間距離を半径の値に保ったまま、試料と電極の距離を近づけると、除電時にそれぞれの電極にかけられている数ｋＶの高電位の分布が、電極から試料方向に近づくほど均一化されるのだが、距離が近すぎると十分な均一化が完了する前に試料に到達されてしまうために、除電能力の面内分布が電極の配置を投影した分布になってしまうからである。このようなことが発生すると、再度、電極と試料の距離を遠ざけて除電をする必要があるため、スループットが低下する原因となる。

この数ｋＶの高電圧を放電せずに印加が可能な電極を１個以上用いる、電気力線放射式の除電機能を有する電子線を用いた微細パターン測長装置の、該電極の極性の設定に関して説明する。

除電する物体が直径が３０ｃｍである１２インチウエハのように、十分に寸法が大きい場合、複数個の電極をならべて除電する場合が多い。しかし、図７に示すように、その中心にある一部の電極の極性を逆極性に設定することで、試料の電位制御が容易な除電をすることができる。逆極性の電極を加えること除電能力が緩和され、時間制御で除電時間を制御する場合、除電時間が過剰にかけ過ぎて逆帯電することを防止することが出来るためである。具体的には、図１１に図示したように、ウエハ１０１の周辺部の直上に設置した電極１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄを全て正に、ウエハ中心部の電極１０２ｅのみ負に設定した。電極の配置を変更して除電を行うことで、それまでウエハ１００枚に２枚の割合で逆帯電してしまい、再度の除電が必要であったのが、変更後は１００枚帯電したウエハを流しても逆帯電したウエハは発生しなくなった。

また、この数ｋＶの高電圧を放電せずに印加が可能な電極を１個以上用いる、電気力線放射式の除電機能を有する電子線を用いた微細パターン測長装置の、除電時の試料の電位制御について説明する。

これまでの実施例では、除電時にウエハを支持する物体は全てフローティング状態を想定していた。これに対し、試料を支持する物体を設置することで、除電時において電極から発散する電気力線が試料に対して収束する割合が大きくなるため、除電速度を大きくすることができる。

また、図６や図７に示した回転ステージ６３、７３は、一般に試料を保持したまま試料を回転させる機構を有している。この回転機構を除電時に利用することで、均一な除電をウエハ全面で実施することに寄与することができる。

また、この数ｋＶの高電圧を放電せずに印加が可能な電極を１個以上用いる、電気力線式の除電器を有する電子線を用いた微細パターン測長装置に関しては、図８に示すように、ウエハカセット１とウエハの位置決め機能を有する回転ステージ３の間に表面電位計の第２の静電プローブ８９を設置すれば、第１の静電プローブ７で測定したウエハの帯電量や帯電分布をモニターした結果をフィードバックすることが出来る。

このフィードバックの結果、必要十分な除電時間を予測することができ、このことによっても、従来の場合よりスループットを向上させることができる。また、この除電を実施した後、試料交換室５へウエハが搬送されるので、その際に第１の静電プローブ７で除電後のウエハの表面電位を計測することが可能なので、このデータをリターディング電圧にフィードバックするようにしても良い。

また、図８に示す実施例では、表面電位計の静電プローブは７、８９の２個が図示されているが、回転ステージ３の直上に静電プローブを１個設置され、かつ該静電プローブが除電時に退避可能な機構を有していれば、除電前後のウエハの表面電位をモニターできるため、個数を１個で済ますことが出来ることはいうまでもない。

また、上記ではウエハの帯電がウエハ面内で均一であるとしていたが、逆に不均一な分布をしている場合であっても、第２の静電プローブ８９でモニターした結果に基づき、複数の除電器の除電時間を制御することで、最低限必要な時間で除電を完了することが出来る。例えば、従来は、あるロットのウエハが帯電していると分かった場合、ウエハの帯電量の大小にかかわらず、３分かけて除電を行っていた。しかし、ロットの中のウエハには、その帯電量が、ロット中のウエハの平均帯電量の４分の１しかないものもあった。したがって、第２の静電プローブ８９の測定結果から、ウエハの帯電量に応じた除電時間を設定することが出来ることによって、ロット全体で除電に要する時間をそれまでの半分にすることが出来た。

本実施例においては、電子ビームを用いた走査型の測長装置、すなわち走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を例にとって説明しているが、これに限定されることはなく、他のイオンビーム照射装置等の他の荷電粒子線装置にも適用が可能である。また、本実施例は、荷電粒子の１つである二次電子を検出する例を説明するが、これに限定されることはなく、例えば、反射電子、もしくは二次イオン等、他の荷電粒子を検出するようにしても良い。

以上詳述したように、本発明によれば、荷電粒子線による微細パターンの計測、検査をすべての測定点においてス、ループットが高く、かつ高精度な測定を可能とする荷電粒子線パターン測定装置を実現できる。

本発明の第１の実施例に係るパターン測長装置の試料導入部の構成を説明する図。 本発明の第２の実施例に係るパターン測長装置の試料導入部の構成を説明する図。 本発明を適用する電子線を用いたパターン測長装置の鏡体部の構成を説明する図。 図３に示す実施例における試料導入部の別の構成例を説明する図。 除電による試料上の電子ビームの形状の変化と除電の効果を説明する図。 除電による試料上の電子ビームの形状の変化と除電の効果を説明する図。 除電による試料上の電子ビームの形状の変化と除電の効果を説明する図。 除電による試料上の電子ビームの形状の変化と除電の効果を説明する図。 除電による試料上の電子ビームの形状の変化と除電の効果を説明する図。 除電による試料上の電子ビームの形状の変化と除電の効果を説明する図。 図３に示す実施例における軟Ｘ線照射式除電装置の設置方法を説明する図。 図３に示す実施例における軟Ｘ線照射式除電装置の設置方法を説明する図。 図１に示す実施例における除電ユニットの構成を説明する図。 本発明の第３の実施例に係るパターン測長装置の試料導入部の構成を説明する図。 図７に示す実施例における試料導入部の別の構成例を説明する図。 図７に示す実施例における試料導入部のさらに別の構成例を説明する図。 図６に図示したＢ−Ｂ'間の断面を示す図。 第２の実施例における軟Ｘ線照射式除電装置の照射時間の一例を示す図。 試料の除電前後の電位分布の一例を示す図。 本発明の第３の実施例における電極の配置構成を示す図。

符号の説明

１…ウエハカセット、２…搬送ア−ム、３…回転ステージ、３a…ウエハ、４…コロナ放電式除電ユニット、５a…ゲートバルブ、５…試料交換室、６…ウエハホルダ、７…静電プローブ、８…鏡体部、８a…ゲートバルブ、８ｂ…真空試料室、９…偏向器、９ａ…ユーザインターフェイス部／情報処理演算部、９ｂ…電源部/制御回路部、９c…筺体、１０…対物レンズ、１１…試料、１２…試料ステージ、１３…２次電子、１４…検出器、１６ａ…電子銃、１７ａ…１次電子線、１８ａ…収束レンズ、２４…軟Ｘ線照射式除電装置、３９…第２の静電プロ…ブ、５０…ウエハ、５０ａ…ウエハ、５３…ウエハ、５３ａ…試料載置面、５４ａ…軟Ｘ線照射装置、５４ｂ…軟Ｘ線照射式除電装置、５５…回転中心、５６…回転中心、５７…ウエハ、５８…試料載置面、５９…−コロナ放電を利用した除電器、６４…電極、７４…電極、８４…電極、８９…第２の静電プロ…ブ、１０１…ウエハ、１０２ａ〜１０２e…電極。

Claims (20)

1. 荷電粒子源と、前記荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを用いて、試料上の所望の観察領域を走査する電子光学系と、前記荷電粒子ビームの走査によって前記試料より２次的に発生する荷電粒子を検出する検出器とを備えた鏡体部と、前記検出器で得られる前記荷電粒子の強度の情報をもとに、前記試料上に形成されたパターンの形状に関する情報を測定する情報処理手段と、前記試料を前記鏡体部内に導入する試料導入部とを有し、前記試料導入部内にあって前記試料を前記鏡体部へ搬送する経路上に、イオンを生成し該イオンにより前記試料の除電を行う除電ユニットと、前記試料面の表面電位を測定するための表面電位測定手段とを設けたことを特徴とする荷電粒子線パターン測定装置。
2. 請求項１に記載の荷電粒子線パターン測定装置において、前記除電ユニットは、コロナ放電によりイオンを生成する除電器と、前記試料を載置し回転可能な回転ステージとを有し、前記除電器は、前記回転ステージの上方に位置するよう配置されていることを特徴とする荷電粒子線パターン測定装置。
3. 請求項２に記載の荷電粒子線パターン測定装置において、前記除電ユニットは、前記回転ステージの試料載置面に対して、前記試料としてのウエハの半径の値以下の位置に配置されていることを特徴とする荷電粒子線パターン測定装置。
4. 請求項１に記載の荷電粒子線パターン測定装置において、前記試料導入部内にあって、前記試料を前記回転ステージと前記表面電位測定手段とに搬送する搬送アーム手段を設けたことを特徴とする荷電粒子線パターン測定装置
5. 荷電粒子源と、前記荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを用いて、試料上の所望の観察領域を走査する電子光学系と、前記荷電粒子ビームの走査によって前記試料より２次的に発生する荷電粒子を検出する検出器とを備えた鏡体部と、前記検出器で得られる前記荷電粒子の強度の情報をもとに、前記試料上に形成されたパターンの形状に関する情報を測定する情報処理手段と、前記試料を前記鏡体部内に導入する試料導入部とを有し、前記試料導入部内にあって前記試料を前記鏡体部へ搬送する経路上に、前記試料に軟Ｘ線を照射し前記試料の除電を行う軟Ｘ線照射手段と、前記試料面の表面電位を測定するための表面電位測定手段とを設けたことを特徴とする荷電粒子線パターン測定装置。
6. 請求項５に記載の荷電粒子線パターン測定装置において、前記軟Ｘ線照射手段は、複数の軟Ｘ線照射装置と、前記試料を載置し回転可能な回転ステージとを有し、前記複数の軟Ｘ線照射装置が前記回転ステージ上方に位置するよう構成したことを特徴とする荷電粒子線パターン測定装置。
7. 請求項６に記載の荷電粒子線パターン測定装置において、前記複数の軟Ｘ線照射装置は、前記回転ステージの中心から異なる距離に位置し、前記回転ステージの試料載置面に対して異なる高さの位置に配置されていることを特徴とする荷電粒子線パターン測定装置。
8. 請求項６に記載の荷電粒子線パターン測定装置において、前記複数の軟Ｘ線照射装置の中で、前記回転ステージの中心から近い距離にある軟Ｘ線照射装置は、前記回転ステージの中心から遠い距離にある軟Ｘ線照射装置よりも、前記回転ステージの試料載置面に対して高い位置に配置したことを特徴とする荷電粒子線パターン測定装置。
9. 請求項５に記載の荷電粒子線パターン測定装置において、前記表面電位測定手段は、少なくとも一つの静電プローブを有し、前記少なくとも一つの静電プローブによる測定結果を用いて前記複数の軟Ｘ線照射装置の照射時間を決定するよう構成したことを特徴とする荷電粒子線パターン測定装置。
10. 請求項５に記載の荷電粒子線パターン測定装置において、前記表面電位測定手段は、２個の静電プローブを有し、前記２個の静電プローブの各々は、前記試料導入部内にあって前記試料を前記鏡体部へ搬送する経路上に、前記軟Ｘ線照射手段の前後段に配置されており、前段に位置する前記静電プローブによる測定結果を用いて前記軟Ｘ線照射手段の軟Ｘ線の照射時間を決定し、後段に位置する前記静電プローブによる測定結果を用いて荷電粒子ビームのフォーカスを決定するよう構成されていることを特徴とする荷電粒子線パターン測定装置。
11. 請求項５に記載の荷電粒子線パターン測定装置において、前記試料導入部内にあって、前記試料を前記軟Ｘ線照射手段と前記表面電位測定手段とに搬送する搬送アーム手段を設けたことを特徴とする荷電粒子線パターン測定装置
12. 荷電粒子源と、前記荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを用いて、ウエハ試料上の所望の観察領域を走査する電子光学系と、前記荷電粒子ビームの走査によって前記試料より２次的に発生する荷電粒子を検出する検出器とを備えた鏡体部と、前記検出器で得られる前記荷電粒子の強度の情報をもとに、前記試料上に形成されたパターンの形状に関する情報を測定する情報処理手段と、前記試料を前記鏡体部内に導入する試料導入部とを有し、前記試料導入部内にあって前記試料を前記鏡体部へ搬送する経路上に、複数の電極に電圧を印加することにより前記試料の除電を行う除電手段と、前記試料面の表面電位を測定するための表面電位測定手段とを設けたことを特徴とする荷電粒子線パターン測定装置。
13. 請求項１２に記載の荷電粒子線パターン測定装置において、前記除電手段は、前記ウエハ試料を載置し回転可能な回転ステージを有し、前記複数の電極を、各電極間の距離が前記試料の半径の長さの位置に配置せしめてなることを特徴とする荷電粒子線パターン測定装置。
14. 請求項１３に記載の荷電粒子線パターン測定装置において、前記複数の電極の中で、前記回転ステージの中心に位置する電極と、前記中心の周囲に位置する電極とに印加する電圧の極性が異なることを特徴とする荷電粒子線パターン測定装置。
15. 請求項１２に記載の荷電粒子線パターン測定装置において、前記表面電位測定手段は、少なくとも一つの静電プローブを有し、前記少なくとも一つの静電プローブによる測定結果を用いて前記複数の電極の印加電圧および電圧印加時間を決定することを特徴とする荷電粒子線パターン測定装置。
16. 請求項１２に記載の荷電粒子線パターン測定装置において、前記表面電位測定手段は、２個の静電プローブを有し、前記２個の静電プローブの各々は、前記試料導入部内にあって前記試料を前記鏡体部へ搬送する経路上に、前記除電手段の前後段に配置されており、前段に位置する前記静電プローブによる測定結果を用いて前記複数の電極の印加電圧および電圧印加時間を決定し、後段に位置する前記静電プローブによる測定結果を用いて荷電粒子ビームのフォーカスを決定するよう構成されていることを特徴とする荷電粒子線パターン測定装置。
17. 請求項１２に記載の荷電粒子線パターン測定装置において、前記試料導入部内にあって、前記試料を前記除電手段と前記表面電位測定手段とに搬送する搬送アーム手段を設けたことを特徴とする荷電粒子線パターン測定装置
18. 請求項１、５又は１２に記載の荷電粒子線パターン測定装置において、前記表面電位測定手段により前記鏡体部への搬送前に測定した前記試料の表面電位の値をリターディング電圧にフィードバックをかけることにより、フォーカス合わせの補正を行うよう構成したことを特徴とする荷電粒子線パターン測定装置。
19. 請求項１２に記載の荷電粒子線パターン測定装置において、前記除電手段の前記複数の電極を、前記試料面との間隔が前記試料の直径より大きい位置に前記試料に正対して配置せしめてなることを特徴とする荷電粒子線パターン測定装置。
20. 請求項１２に記載の荷電粒子線パターン測定装置において、前記除電手段によって前記試料の除電がなされている際、前記試料が接地されていること、もしくは試料近傍に接地された導電物が接地されていることを特徴とする荷電粒子線パターン測定装置。
    

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